BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MÁY THEO DÕI BỆNH NHÂN BA THÔNG SỐ NHỊP TIM, SPO2, NHIỆT ĐỘ Ngành Kỹ thuật Y Sinh Giảng viên hƣớng dẫn ThS Trần Duy Cƣờng Sinh viên thực hiện MSSV Lớp Trần Sơn Hà 1711730043 17DYSA1 Phan Lê Quốc Toàn 1711020080 17DYSA1 Trần Ngọc Hoàng Nam 17111730074 17DYSA1 TP Hồ Chí Minh, 2021 LỜI CẢM ƠN Chúng em xin chân thành cảm ơn Trƣờng Đại Học Công Nghệ Hutech, Quý ThầyCô trong Viện Kỹ Thuật đã tận tìn.
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Tính ứng dung của đề tài
Thiết bị theo dõi bệnh nhân ba thông số: nhịp tim, SPO2 và nhiệt độ, là công cụ quan trọng để đo độ bão hòa oxy trong máu, nhịp tim và nhiệt độ cơ thể Thiết bị này giúp xử lý nhanh chóng và kịp thời, đặc biệt được khuyến khích cho những người mắc suy tim, hen suyễn, bệnh phổi tắc nghẽn mãn tính và ngưng thở khi ngủ Việc sử dụng thiết bị giúp bệnh nhân kiểm soát tốt hơn độ bão hòa oxy và nhịp tim của mình.
Thiết bị hỗ trợ bệnh nhân Covid-19 kiểm soát tình trạng sức khỏe tại nhà, đồng thời cung cấp phương pháp điều trị kịp thời và hiệu quả nhất.
Thiết bị hiển thị giá trị trên màn hình OLED và tích hợp với App Inventor trên điện thoại Android, cung cấp khả năng cảnh báo cho người dùng thông qua còi buzzer khi thông số đo được vượt quá ngưỡng bình thường.
Nhiệm vụ thực hiện
-Tìm hiểu cơ sở lý thuyết từ đó lựa chọn giải pháp cho đề tài
-Lập trình viết App chạy trên nền tảng Android
-Chạy thử nghiệm thiết bị, đánh giá kết quả, đề ra hướng phát triển
Giới hạn của đề tài
-Thiết bị đo nhịp tim, nồng độ oxy trong máu và nhiệt độ chỉ dùng trong môi trường khô ráo, không thấm nước
- Thiết bị không có chức năng phân tích các thông số để đƣa ra chuẩn đoán về sức khỏe
- Thiết bị chỉ kết nối đƣợc với điện thoại qua Bluetooth trong phạm vi 10m.
Bố cục và thời gian nghiên cứu
Tuần lễ Ngày Nội dung
1 17/5 – 23/5 Nghiên cứu các sản phẩm có mặt trên thị trường
2 24/5 – 30/5 Tìm hiểu nhu cầu thực tế
3 31/5 – 6/6 Lên ý trưởng về mô hình
Thiết kế lưu đồ giải thuật
5 14/6 – 20/6 Tìm hiểu lựa chọn linh kiện sao cho phù hợp với sản phẩm
6 21/6 – 27/6 Tìm hiểu về công nghệ
8 5/7 – 11/7 Tính toán các thông số kỹ thuật
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tín hiệu nhịp tim
2.1.1 Tín hiệu nhịp tim là gì?
Nhịp tim (Heart Rate - HR) là số lần tim đập trong một phút, thường thay đổi theo nhu cầu oxy và thải CO2 của cơ thể, như trong lúc tập thể dục hoặc khi ngủ Chỉ số HR bình thường khác nhau giữa các cá nhân, phụ thuộc vào giới tính, độ tuổi và tình trạng sức khỏe Sự biến đổi của chỉ số HR có thể là dấu hiệu cho thấy sự thay đổi trong trạng thái tim, từ đó phản ánh tình trạng sức khỏe tổng quát của cơ thể.
Nhịp tim khi cơ thể ở trạng thái nghỉ ngơi, hay còn gọi là Nhịp Tim Nghỉ (RHR), thường được đo vào buổi sáng ngay sau khi thức dậy Trong trạng thái ngồi hoặc nằm thư giãn và không có bệnh tật, RHR dao động từ 60-100 BPM Tuy nhiên, RHR thấp hơn 60 không nhất thiết phản ánh vấn đề sức khỏe; nó có thể là tác dụng phụ của thuốc hoặc biểu hiện của những vận động viên có thể trạng tốt, khi cơ tim không cần hoạt động mạnh để duy trì chức năng cơ thể Ngoài ra, nhiều yếu tố bên ngoài cũng có thể ảnh hưởng đến chỉ số RHR.
Nhiệt độ môi trường: khi nhiệt độ tăng cao, tim đập mạnh hơn và truyền máu
đi nhiều hơn, chỉ số HR sẽ tăng nhưng thường không quá 10 BPM
Trạng thái cơ thể ảnh hưởng đến nhịp tim (HR), thường không thay đổi khi ở trạng thái nghỉ ngơi, đứng hoặc ngồi Tuy nhiên, HR có thể tăng nhẹ trong khoảng 15-20 giây sau khi đứng dậy trước khi ổn định trở lại Bên cạnh đó, các yếu tố cảm xúc và tinh thần như lo lắng, căng thẳng hoặc quá xúc động cũng có thể làm tăng HR.
Kích thước cơ thể: với những người nặng cân, RHR thường sẽ cao hơn, nhưng cũng không vƣợt quá 100 BPM
Sử dụng thuốc kiềm hãm cơ thể tiết ra adrenaline (beta blocker) có thể gây ra tác dụng phụ, bao gồm việc làm chậm nhịp tim (HR) Tuy nhiên, nếu dùng quá liều, thuốc có thể dẫn đến tình trạng tăng nhịp tim.
Bảng 2 1 Chỉ số nhịp tim phụ thuộc vào giới tính và độ tuổi
Chỉ số Nhịp Tim Mục Tiêu (THR) là nhịp tim mà cơ thể nên đạt được trong quá trình hoạt động như làm việc, tập thể dục hoặc vận động Khi đó, tim cần hoạt động hiệu quả để đáp ứng nhu cầu oxy và năng lượng của cơ thể.
Để đảm bảo cung cấp đủ lượng máu nuôi dưỡng các cơ quan, việc bóp mạnh là rất quan trọng Chỉ số THR thường được sử dụng để theo dõi trong quá trình luyện tập, giúp đảm bảo rằng các bài tập không vượt quá sức của cơ thể.
2.1.2 Các quá trình điện học của tim
Tim là một tổ chức cơ rỗng, nơi sự co bóp tuần tự của các cơ tạo ra áp lực để đẩy máu qua các bộ phận khác nhau trong cơ thể Mỗi nhịp tim được kích thích bởi xung điện từ các tế bào nút xoang tại tâm nhĩ, và các xung điện này truyền đến các phần khác của tim, khiến tim co bóp Việc ghi lại các tín hiệu điện của tim, hay còn gọi là tín hiệu ECG, là quá trình ghi nhận những xung điện này.
Năng lượng chuyển hóa tạo ra môi trường với nồng độ Kali cao và Natri thấp, dẫn đến sự không cân bằng điện thế trên màng tế bào, với giá trị khoảng 90 mV so với bên ngoài Khi tế bào bị kích thích bởi dòng điện, thế ngang màng tạm thời tăng lên, làm thay đổi các tính chất của màng Trong pha đầu tiên, màng trở nên thấm mạnh đối với Natri, cho phép dòng Natri lớn (sớm) chảy vào bên trong nhờ gradient khuếch tán và điện.
Hình 2 1 Điện thế tác động qua màng
Dòng chảy tạo ra dòng điện trong tế bào, tương tự như hình 2.1, cho thấy rằng tế bào có tính chất như một nguồn lưỡng điện Dòng Natri chuyển tiếp đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì dòng điện nội tại và góp phần vào dòng điện này Qua đó, hoạt động của tế bào lan tỏa tới các tế bào lân cận, khi màng hồi phục trở về các tính chất ban đầu.
Khi tế bào tim kết thúc quá trình kích thích, nó trở lại trạng thái nghỉ và có khả năng được tái kích thích Quá trình này diễn ra khi dòng Natri và Kali chảy qua màng tế bào, tạo ra điện thế trong tim.
2.1.3 Sự hình thành các dạng sóng của tim
Tim là một cơ quan có cấu trúc phức tạp, bao gồm bốn buồng với độ dày mỏng không đồng đều Điều này khiến tín hiệu điện của tim phát ra là sự tổng hợp từ nhiều sợi cơ tim, tạo nên sự phức tạp hơn so với một tế bào hay một sợi cơ đơn lẻ.
Nút xoang nhĩ (SA) là một chùm tế bào nhỏ (khoảng 3x10mm) nằm ở cuối thành của tâm nhĩ, dưới điểm gắn của tĩnh mạch trên, đóng vai trò khởi phát tín hiệu kích thích Nút SA truyền xung động ra cơ nhĩ, giúp nhĩ khử cực và bóp để đẩy máu xuống tâm thất, với vận tốc truyền khoảng 30cm/s trong mô tâm nhĩ Sau đó, nút nhĩ thất (AV node: Aschoff – Tawara node) nhận xung động và truyền qua bó His, nhờ vào bộ dãy mô chuyên biệt nằm giữa hai nút.
Nút SA và nút AV có tốc độ truyền tín hiệu nhanh hơn trong mô tâm nhĩ khoảng 51 cm/s, giúp dẫn tín hiệu đến các tâm thất Tâm thất cần hoạt động để đáp ứng động năng trước khi tâm nhĩ rỗng, với mức động năng 45 cm/s, tín hiệu sẽ đến nút AV trong khoảng 30 đến 50 ms sau khi phát ra từ nút SA Nút AV hoạt động như một giới hạn hoãn, làm chậm phần đến trước của thế năng động, cùng với hệ thống dẫn điện bên trong đến các tâm thất.
Xung điện truyền qua hai nhánh cơ tâm thất nhờ vào sợi Purkinje, dẫn đến hiện tượng khử cực tâm thất Khi tâm thất đầy máu, nó sẽ co bóp mạnh mẽ để đẩy máu ra ngoài Tính dẫn truyền của các sợi Purkinje rất nhanh, với thời gian truyền động năng giữa các nút SA và AV khoảng 40ms Tuy nhiên, thời gian này bị làm chậm lại bởi nút AV, kéo dài thêm khoảng 100ms, nhằm đảm bảo sự đồng bộ trong việc kích hoạt các ngăn lưới với phần trống của các ngăn trên Việc dẫn truyền vào các chùm nhánh diễn ra nhanh chóng, chỉ mất khoảng 60ms để đến được các sợi Purkinje xa nhất.
Hình 2 2 Cấu tạo của tim
Hình 2 3 Xung điện qua các cơ tim
2.1.3.2 Tính trơ và các thời kỳ trơ
Tính chất chủ yếu của tế bào cơ, đặc biệt là trong việc truyền dẫn, liên quan đến sự hình thành chứng loạn nhịp là khả năng trợ (không phản ứng) đối với kích thích trong một khoảng thời gian nhất định Khoảng thời gian này được gọi là chu kỳ trơ.
Tổng quan về nồng độ bảo hòa oxi trong máu ( SPO2)
2.2.1 Sự cần thiết của Oxy trong máu
Oxi là nguyên tố thiết yếu cho sự sống, vì không có nó, mọi sinh vật trên trái đất sẽ không thể tồn tại Đối với con người, oxi đóng vai trò quan trọng trong quá trình hô hấp và các phản ứng oxi hóa diễn ra bên trong cơ thể.
Máu đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển các chất dinh dưỡng và khí trong cơ thể Sau khi tiêu hóa, các chất dinh dưỡng từ nhung mao ruột được đưa vào máu Đồng thời, máu cũng vận chuyển khí O2 từ phổi đến các mô và khí CO2 từ các mô trở lại phổi.
2.2.2 Sự vận chuyển khí Oxy trong máu
Khí O2, đƣợc vận chuyển theo máu thông qua hai dạng hòa tan và kết hợp với haemoglobin ( haemoglobin là một Protein đƣợc kết lại trong hồng cầu )
Dạng hòa tan : Khả năng hòa tan của oxi trong máu rất nhỏ so với lƣợng oxi vận chuyển ở dạng kết hợp cung cấp cho mô
Oxy trong máu được vận chuyển dưới dạng oxyhaemoglobin (HbO2) thông qua các phản ứng thuận nghịch giữa oxy và haemoglobin (Hb) Mức độ kết hợp giữa oxy và Hb tỷ lệ thuận với phân áp oxy trong máu Khi phân áp oxy tăng từ 0 đến 100 mmHg, tỷ lệ phần trăm HbO2 hòa tan cũng tăng lên tới 97% Ngược lại, khi phân áp oxy giảm từ 100 xuống 0 mmHg, tỷ lệ phần trăm bão hòa của HbO2 cũng giảm theo.
2.2.3 Tại sao cần phải xác định nồng độ bão hòa của oxy trong máu?
Khi cơ thể hoạt động, năng lượng sẽ được tiêu tốn và cần được cung cấp liên tục qua quá trình oxi hóa các chất dinh dưỡng chủ yếu tại mô tế bào Thiếu oxy trong máu sẽ làm chậm các phản ứng oxi hóa, không đủ năng lượng cho cơ thể và ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất, khiến cơ thể khó đào thải độc tố.
Việc xác định nhanh chóng và chính xác nồng độ bão hòa oxy trong máu là rất cần thiết cho cả bệnh nhân và người bình thường.
2.2.4 Chỉ số SPO2 thể hiện điều gì?
SpO2 ≥ 97%: bình thường, tình trạng bão hoà oxy trong máu ở mức ổn
SpO2 từ 92 - 97%: người bệnh cần đặc biệt lưu ý và theo dõi tình trạng sức khỏe tại nhà
Khi SpO2 < 92%, bệnh nhân gặp tình trạng thiếu oxy nghiêm trọng, biểu hiện qua triệu chứng tím tái ở ngón tay và môi Trong trường hợp này, cần cung cấp hỗ trợ hô hấp bằng thiết bị thở oxy chuyên dụng Nếu bệnh nhân đã được thở oxy với lưu lượng từ 5 - 10 lít/phút mà SpO2 vẫn không vượt quá 92%, nguy cơ suy hô hấp cao, yêu cầu nhập viện cấp cứu để can thiệp kịp thời.
Tổng quan về các phương pháp đo
2.3.1 Phương pháp đo nhịp tim
Hiện nay, trong y học có nhiều phương pháp xác định nhịp tim, bao gồm các hình thức đo khác nhau Các phương pháp này được chia thành ba loại chính: thủ công, xâm lấn và không xâm lấn Mặc dù chúng có cách thức đo khác nhau, nhưng nhìn chung, chúng đều phục vụ mục đích đo nhịp tim.
Phương pháp 1: Phương pháp thủ công
Đo nhịp tim bằng ngón tay là một phương pháp đơn giản và hiệu quả Để thực hiện, bạn hãy sử dụng mặt trong của hai ngón tay áp sát vào mặt trong cổ tay bên kia, tại vị trí có nếp gấp cổ tay Nhẹ nhàng bấm vào đó cho đến khi cảm nhận được nhịp đập Nếu cần, bạn có thể di chuyển ngón tay xung quanh để tìm nhịp đập chính xác Sau khi xác định được nhịp tim, hãy sử dụng đồng hồ để đếm số nhịp Ngoài ra, bạn cũng có thể đặt hai ngón tay vào một bên cổ, nơi giao nhau giữa khí quản và các cơ lớn, và bấm nhẹ để cảm nhận nhịp đập Hình ảnh minh họa cách đo nhịp tim được trình bày rõ trong hình 2.1 bên dưới.
Đo nhịp tim thủ công bằng ống nghe là một phương pháp phổ biến và đơn giản Để thực hiện, cần đeo ống nghe đúng cách và làm ấm loa nghe trong mùa đông trước khi kiểm tra Đặt ống nghe tại các vị trí nghe tim trong khoảng 10-20 giây mỗi lần, sau đó sử dụng đồng hồ để xác định số nhịp tim Trong quá trình đo, người thực hiện cần thả lỏng cơ thể và ngồi ở tư thế thoải mái Mặc dù chi phí đo không đáng kể, độ chính xác của kết quả phụ thuộc vào kỹ năng của người đo và có thể bị ảnh hưởng bởi sự chênh lệch thời gian đếm Phương pháp này tốn nhiều thời gian và công sức để thực hiện.
Hình 2 6 Đo nhịp tim bằng ống nghe
Các phương pháp đo lường này rất phổ biến, đơn giản và dễ thực hiện, với chi phí thấp Tuy nhiên, độ chính xác của kết quả phụ thuộc vào kỹ năng của người đo, có thể xảy ra sai sót do sự chênh lệch giữa thời gian đếm của người đo và đồng hồ Hơn nữa, quá trình đo lường này yêu cầu nhiều thời gian và công sức.
Phương pháp 2: Phương pháp xâm lấn
Sử dụng các điện cực để đo nhịp tim, dòng điện sẽ truyền từ nguồn qua cơ thể và phản hồi thông tin nhịp tim Các điện cực được gắn lên vùng ngực đã được khử trùng, sử dụng băng dán cố định Thiết bị sẽ được khởi động để đo liên tục trong khoảng thời gian từ 24-48 tiếng, và dữ liệu sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ.
Nhận xét là phương pháp chính xác cao, thường được áp dụng tại các bệnh viện và trung tâm khám sức khỏe, cho phép đo nhiều thông số trong cùng một thời điểm Tuy nhiên, phương pháp này cũng có thể gây ra một số tác dụng phụ như dị ứng da do tiếp xúc với dòng điện cực hoặc các chất dán cố định, dẫn đến cảm giác khó chịu cho người sử dụng.
Phương pháp 3: Phương pháp không xâm lấn
Khi tim đập, máu được bơm qua động mạch, gây ra sự thay đổi về áp suất và lưu lượng máu Điều này cho phép chúng ta đo nhịp tim bằng cách theo dõi những biến đổi này trong thành động mạch.
Sự thay đổi nhịp tim ảnh hưởng đến mức hấp thụ ánh sáng của động mạch, khiến cường độ ánh sáng truyền qua động mạch biến thiên theo nhịp tim Khi nhịp tim giãn ra, lượng máu trong động mạch giảm, dẫn đến việc hấp thụ ít ánh sáng và cường độ ánh sáng sau khi truyền qua lớn hơn Ngược lại, khi tim co lại, lượng máu tăng, làm giảm cường độ ánh sáng truyền qua động mạch Ánh sáng sau khi truyền qua ngón tay bao gồm hai thành phần là AC và DC.
- Thành phần DC đặc trưng cho cường độ ánh sáng cố định truyền qua mô, xương và tĩnh mạch
Thành phần AC đặc trưng cho sự biến đổi cường độ ánh sáng theo sự thay đổi lượng máu qua động mạch, với tần số tín hiệu đồng bộ với nhịp tim.
Người ta ứng dụng hiện tượng này của ánh sáng để thực hiện đo nhịp tim bằng phương pháp quang, nguyên lý đo được thể hiện ở hình 2.3 bên dưới
Hình 2 7 Đo nhịp tim bằng phương pháp quang
Sản phẩm này được đánh giá là đơn giản và dễ sử dụng, với thiết kế gọn nhẹ mang lại cảm giác thoải mái cho người dùng Thời gian đo nhanh chóng, tuy nhiên, phương pháp này có độ sai số khá cao, khoảng 15%.
Hiện nay, hai phương pháp theo dõi bệnh nhân lâu dài đang được sử dụng phổ biến Tuy nhiên, để đảm bảo độ chính xác và đạt được mục tiêu ban đầu của đề tài, nhóm nghiên cứu đã quyết định lựa chọn phương pháp đo nhịp tim bằng công nghệ quang.
2.3.2 Phương pháp đo SPO2 dựa vào hấp thụ quang học
Hình 2 8 Vị trí đặt cảm biến
Vị trí lý tưởng để đặt cảm biến là đầu ngón tay, vì ở đây động mạch không quá lớn nhưng độ dày của cơ thể cho phép ánh sáng truyền qua ít, chỉ cần một LED làm nguồn phát Ở vị trí này, cường độ ánh sáng nhận được có sự biến thiên lớn, giúp tỷ số giữa biên độ tín hiệu và nền đủ lớn để đảm bảo độ chính xác của kết quả Tuy nhiên, cần giữ ngón tay cố định trong quá trình đo để không làm ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả.
Thiết bị đo SpO2 sử dụng ánh sáng đỏ (660nm) và hồng ngoại (880nm) để xác định mức độ bão hòa oxy trong máu Đầu dò sẽ được đặt quanh ngón tay để thu nhận ánh sáng, dựa vào sự hấp thụ của hemoglobin với các bước sóng khác nhau Mức độ hấp thụ ánh sáng phụ thuộc vào bản chất môi trường vật chất Sau khi cảm biến quang nhận được ánh sáng đỏ và hồng ngoại, tỉ lệ giữa chúng sẽ được so sánh với bảng tra cứu chuẩn để chuyển đổi thành giá trị SpO2 tương ứng.
2.3.3 Phương pháp đo nhiệt độ
Phương pháp 1: Phương pháp đo trực tiếp
Phương pháp đo trực tiếp nhiệt độ dựa vào nguyên tắc truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh Khi tiếp xúc với vật cần đo, nhiệt độ của vật sẽ truyền sang nhiệt kế cho đến khi đạt trạng thái cân bằng nhiệt, lúc này chỉ số trên nhiệt kế phản ánh nhiệt độ của vật Nhiệt kế thủy ngân là thiết bị phổ biến ứng dụng nguyên tắc này để đo nhiệt độ chính xác.
Phương pháp 2: Phương pháp đo gián tiếp
Phương pháp đo nhiệt độ gián tiếp sử dụng thiết bị đo nhiệt độ từ xa, thường được gọi là súng đo nhiệt độ hồng ngoại Phương pháp này rất hữu ích khi cần đo nhiệt độ bề mặt của các vật ở khoảng cách xa, vị trí cao, khó tiếp cận, hoặc trong các môi trường khắc nghiệt như đường ống trên cao hay khu vực có nhiệt độ nguy hiểm đến tính mạng.
Chuẩn giao tiếp I2C
Vào đầu năm 1980, Phillips đã phát triển chuẩn giao tiếp nối tiếp 2 dây mang tên I2C, viết tắt của cụm từ Inter-Integrated Circuit Đây là một đường Bus dùng để giao tiếp giữa các IC với nhau Mặc dù được phát triển bởi Phillips, I2C đã được nhiều nhà sản xuất IC trên toàn cầu áp dụng, trở thành chuẩn công nghiệp cho các giao tiếp điều khiển Một số tên tuổi lớn ngoài Phillips như Texas Instrument (TI), Maxim Dallas, Analog Device, và National Semiconductor cũng sử dụng I2C làm bus giao tiếp ngoại vi cho nhiều loại IC khác nhau.
Vi điều khiển 8051, PIC, AVR, ARM và các loại chip nhớ như RAM tĩnh (Static RAM), EEPROM, cùng với các thiết bị như bộ chuyển đổi tương tự số (ADC), số tương tự (DAC), và IC điều khiển LCD, LED là những thành phần quan trọng trong thiết kế và phát triển hệ thống nhúng.
I2C sử dụng hai đường truyền tín hiệu:
- Một đường xung clock (SCL) chỉ do Master phát đi (thông thường ở 100kHz và 400kHz Mức cao nhất là 1MHz và 3.4MHz)
- Một đường dữ liệu (SDA) theo 2 hướng
Bus I2C cho phép kết nối nhiều thiết bị mà không xảy ra nhầm lẫn, nhờ vào địa chỉ duy nhất của mỗi thiết bị trong mối quan hệ master/slave Mỗi thiết bị có thể đóng vai trò là thiết bị nhận hoặc truyền dữ liệu, hoặc thực hiện cả hai chức năng, tùy thuộc vào vai trò của nó là master hay slave trong quá trình kết nối.
Khi kết nối một thiết bị hoặc IC với bus I2C, mỗi thiết bị cần có một địa chỉ duy nhất và được cấu hình là master hoặc slave Trong hệ thống I2C, thiết bị master chịu trách nhiệm tạo xung clock đồng bộ và quản lý địa chỉ của thiết bị slave trong quá trình giao tiếp, trong khi thiết bị slave chỉ thực hiện theo lệnh từ master I2C sử dụng 7 bit để định địa chỉ, cho phép tối đa 128 thiết bị kết nối, nhưng chỉ 112 địa chỉ có thể sử dụng, vì 16 địa chỉ còn lại được dành cho mục đích riêng Bit cuối cùng xác định chế độ đọc hoặc ghi dữ liệu, với 1 là ghi và 0 là đọc.
Khi làm việc với giao thức I2C, cần lưu ý rằng dữ liệu trên đường SDA chỉ được ghi nhận tại sườn lên của xung clock Điều này có nghĩa là tốc độ xung clock không cần phải chính xác là 1MHz hay 3.4MHz Từ điểm này, có thể tận dụng 2 chân GPIO để tạo ra giao tiếp I2C mềm mà không cần thiết phải có một chân CLK với tốc độ xung chính xác.
Quá trình truyền dữ liệu giữa 2 thiết bị chế độ Master – Slave dùng bus I2C diễn ra nhƣ sau:
Thiết bị master tạo xung START bằng cách làm cho đường SDA thay đổi từ mức cao xuống mức thấp, trong khi đường SCL vẫn giữ ở mức cao, nhằm khởi động quá trình giao tiếp.
Thiết bị master gửi địa chỉ thiết bị slave cùng với bit R/W và chờ phản hồi xung ACK Địa chỉ slave được định nghĩa bằng 7 bit, có thể sử dụng 10 bit nếu gửi chuỗi 11110 sau lệnh START trên đường SDA Bit R/W điều khiển hướng truyền: bit "0" cho phép truyền từ master tới slave, trong khi bit "1" cho phép truyền ngược lại Việc thiết lập bit R/W do thiết bị master quy định.
Khi nhận được tín hiệu ACK từ thiết bị slave xác nhận đúng địa chỉ, quá trình truyền dữ liệu sẽ được bắt đầu Dữ liệu được gửi theo từng byte, mỗi byte bao gồm 8 bit, và sau mỗi byte cần có một xung ACK để đảm bảo truyền nhận chính xác Số lượng byte có thể gửi là không giới hạn, với xung ACK được định nghĩa là SDA kéo xuống mức thấp Nếu không nhận được đúng địa chỉ hoặc muốn kết thúc giao tiếp, thiết bị nhận sẽ gửi xung NACK, tức là SDA ở mức cao.
Khi kết thúc quá trình truyền, thiết bị master sẽ phát xung STOP hoặc thiết bị slave sẽ gửi xung NACK để thông báo kết thúc Xung STOP tương tự như xung START nhưng với trạng thái đường SDA chuyển từ mức thấp lên mức cao Trong quá trình giao tiếp, có thể lặp lại xung START với một địa chỉ mới để bắt đầu giao tiếp khác Điểm mạnh của I2C là hiệu suất và sự đơn giản, cho phép một khối điều khiển trung tâm quản lý cả một mạng thiết bị chỉ với hai lối ra điều khiển.
Ưu nhược điểm của thiết bị
- Hệ thống dễ sử dụng, dễ thao tác
- Mô hình bền, hoạt động tương đối ổn định trong thời gian dài
- Sử dụng được tại nhà, tại giường bệnh, phòng khám tư
- Không phụ thuộc vào nguồn điện 220V Nguồn cấp ở thể là sạc để sử dụng
- App điện thoại dung kết nối Bluetooth nên khoảng cách kết nối hạn chế
- Hệ thống dữ liệu truyền nhận nội bộ bảo mật chưa tốt, người lạ có thể xâm nhập
Hệ thống đo lường phụ thuộc nhiều vào chất lượng của cảm biến, vì phương pháp đo sử dụng hấp thụ quang học, dễ bị nhiễu bởi ánh sáng từ môi trường bên ngoài.
- Tay đo nhiệt độ còn nối dây với thiết bị nên không thể sử dụng linh hoạt
Phương pháp giải quyết
Giới thiệu phần cứng
Thiết bị đầu vào bao gồm nút nhấn, cảm biến nhịp tim MAX30100, cảm biến nồng độ oxy trong máu và cảm biến nhiệt độ MLX90614 Để hiển thị thông tin, thiết bị đầu ra sử dụng đèn LED và buzzer Bộ điều khiển trung tâm được tích hợp vi điều khiển Atmega 2560, với khả năng truyền dữ liệu qua chuẩn I2C và kết nối không dây thông qua module Bluetooth Dữ liệu được lưu trữ trong bộ nhớ RAM, trong khi nguồn cấp được cung cấp bởi 2 pin Cell 18650 4200mAh 3.7V.
3.1.1 Cảm biến nhịp tim và nồng độ oxy trong máu MAX30100
Cảm biến MAX30100 của Maxim là một module tích hợp giúp đo nồng độ oxy trong máu và nhịp tim Thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên lý quang học, phát ra hai bước sóng ánh sáng từ LED đỏ và LED hồng ngoại Qua đó, nó đo sự hấp thụ của máu đang chảy bằng cách thu tín hiệu từ bộ cảm biến ánh sáng (photodetector) Sự kết hợp giữa hai màu LED cho phép đọc dữ liệu tại đầu ngón tay, từ đó xác định chính xác nồng độ oxy trong máu và nhịp tim.
Hình 3 1 Cảm biến nhịp tim và SpO2 MAX30100
Cảm biến tích hợp IC MAX30100 của Maxim là bộ cảm biến quang học với hai LED, được tối ưu hóa để giảm nhiễu Nó hoạt động dựa trên nguyên lý đo hấp thụ quang học của máu, với tốc độ lấy mẫu dựa trên trạng thái hiện tại.
29 đèn LED có khả năng lập trình nhằm tiết kiệm năng lượng, kết nối qua giao thức I2C Thông tin chi tiết về cảm biến được trình bày trong bảng 3.1 dưới đây.
Bảng 3 1 Băng thông số kỹ thuật cảm biến MAX30100
2 Điện áp hoạt động 1.8V – 3.3V (DC)
3 Dòng hoạt động thấp 0.7 (uA)
5 Tốc độ đọc dữ liệu 50Hz to 1kHz
6 Cảm biến quang IR led hồng ngoại & bộ tách sóng quang
8 Nhiệt độ hoạt động -40 ° C đến +85 ° C
3.1.2 Cảm biến đo nhiệt độ hồng ngoại MXL90614
Hình 3 2 Cảm biến đo nhiệt độ hồng ngoại MXL90614
Cảm biến MXL90614 là thiết bị lý tưởng để đo nhiệt độ mà không cần tiếp xúc, nhờ vào đầu phát tia hồng ngoại tích hợp Với chip dò nhiệt độ nhạy IR, MXL90614 mang lại độ chính xác và độ phân giải cao, cho phép đo nhiệt độ trong phạm vi rộng với độ phân giải lên đến 0,02 °C.
Cảm biến MLX90614 có khả năng đo nhiệt độ trong khoảng từ -20 đến 120 °C với độ phân giải đầu ra là 0,14 °C Thiết bị này có 4 chân, trong đó hai chân SCL và SDA được sử dụng để giao tiếp I2C với OLED, với SCL đảm nhận vai trò đồng bộ hóa dữ liệu giữa các thiết bị và SDA là dây dữ liệu truyền qua Hai chân còn lại được sử dụng để kết nối nguồn và đất.
Hình 3 3 Sơ đồ chân cảm biến MXL90614
Nguyên lí hoạt động của cảm biến MLX90614 dựa trên sóng hồng ngoại,
Các cảm biến đo nhiệt độ hồng ngoại thường có bước sóng từ 0.8μm đến 14μm, mang đến ánh sáng tốt và cho phép đo nhiệt độ chính xác Nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại dựa trên việc thu thập bức xạ điện từ phát ra từ vật thể trên 0°K và truyền dữ liệu về vi xử lý để tính toán nhiệt độ Module cảm biến MLX90614 là một ví dụ về cảm biến hồng ngoại thích hợp cho việc đo nhiệt độ không tiếp xúc, cung cấp đầu ra là tín hiệu số và đầu vào là tín hiệu tương tự.
Cảm biến hoạt động hiệu quả trong dải điện áp 3.3 - 5 V và cho phép điều chỉnh độ nhạy qua phần mềm lập trình Với kích thước nhỏ gọn và chi phí thấp, cảm biến này có thời gian đáp ứng nhanh và hoạt động ổn định, đồng thời tiết kiệm năng lượng Khoảng cách đo của cảm biến nhỏ hơn 1 m, nhưng lại có phạm vi nhiệt độ đo rộng, từ -40 đến +85 °C cho cảm biến và từ -70 đến +380 °C cho đối tượng đo.
3.1.3 Tổng quan về module Arduino Mega2560
Arduino Mega 2560 là một board mạch vi điều khiển dựa trên vi điều khiển Atmega 2560, cung cấp 54 chân I/O, bao gồm 15 chân có chức năng PWM và 16 chân đầu vào Analog Board này còn trang bị 4 UART, 1 thạch anh 16MHz, 1 cổng USB, 1 jack nguồn, 1 header và 1 nút nhấn reset, giúp người dùng dễ dàng lập trình Việc kết nối Arduino Mega 2560 với máy tính qua cáp USB cho phép người học nhanh chóng bắt đầu với lập trình vi điều khiển Nó cũng tương thích với hầu hết các Shield của Arduino UNO, mang lại sự linh hoạt trong việc phát triển dự án Thông số kỹ thuật chi tiết của Arduino Mega 2560 được trình bày trong bảng 3.2.
Hình 3 4 Vị trí chân Arduino Mega
Bảng 3 2 Thông số kĩ thuật Arduino Mega 2560
TT THÔNG SỐ GIÁ TRỊ
1 Vi điều khiển chính Atmega2560
2 Điện áp hoạt động 5VDC
3 Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
7 Giao tiếp UART 4 bộ UART
8 Dòng ra tối đa trên mỗi chân I/O 20mA
Bộ chân từ 50 đến 53 được sử dụng với thư viện SPI, cho thấy hệ thống I/O lớn với 16 bộ chuyển đổi tương tự và 54 bộ chuyển đổi digital, hỗ trợ giao thức UART và các chế độ khác.
Arduino Mega 2560 hỗ trợ 33 độ giao tiếp khác nhau và đi kèm với bộ RTC cùng nhiều tính năng như bộ so sánh, timer và ngắt, giúp tối ưu hóa điều khiển hoạt động, tiết kiệm điện năng và tăng tốc độ với xung thạch anh 16 MHz Với bộ nhớ FLASH lớn và SRAM, bo mạch này có khả năng xử lý các chương trình hệ thống lớn một cách hiệu quả Ngoài ra, nó còn tương thích với các loại bo mạch khác nhau, bao gồm tín hiệu mức cao (5V) và tín hiệu mức thấp (3.3V) thông qua chân nạp I/O.
3.1.4 Tổng quan công nghệ Bluetooth
Bluetooth là công nghệ truyền thông không dây tầm gần, cho phép truyền dữ liệu giữa các thiết bị điện tử qua các khoảng cách ngắn, tạo ra mạng cá nhân không dây (Wireless Personal Area Network - PANs) Với tốc độ truyền dữ liệu đạt 1Mb/s và khả năng hỗ trợ tốc độ lên tới 720 Kbps trong phạm vi từ 10 m đến 100 m, Bluetooth hoạt động hiệu quả hơn so với kết nối hồng ngoại (IrDA) nhờ vào tính năng vô hướng và sử dụng tần số 2,4 GHz.
Bluetooth được phát triển để thay thế cáp kết nối giữa máy tính và các thiết bị truyền thông cá nhân, cho phép kết nối vô tuyến giữa các thiết bị điện tử một cách dễ dàng và tiết kiệm chi phí Khi được kích hoạt, Bluetooth có khả năng tự động phát hiện các thiết bị tương thích trong khu vực lân cận và thiết lập kết nối với chúng Công nghệ này chủ yếu được sử dụng để truyền tải dữ liệu và âm thanh.
Công nghệ Bluetooth là một tiêu chuẩn không dây phổ biến, được sử dụng cho các thiết bị nhỏ, chi phí thấp và có khả năng kết nối ngắn giữa các thiết bị như PC di động và điện thoại Mặc dù Bluetooth tiêu tốn ít năng lượng và có giá thành thấp, nhưng tốc độ truyền dữ liệu của nó chậm hơn nhiều so với mạng Wi-Fi Các smartphone và máy tính bảng hiện nay đều tích hợp chức năng Bluetooth trong hệ điều hành, cho phép đồng bộ hóa dữ liệu với điện thoại di động và các thiết bị hỗ trợ cá nhân như PDA, cũng như in ấn với các máy in tương thích.
34 và kết nối đến các thiết bị khác Đặc điểm của công nghệ Bluetooth đƣợc thể hiện rõ ở những ưu nhược điểm trong bảng 2.3 bên dưới
Hình 3 5 Ứng dụng Bluetooth điều khiển các thiết bị ngoại vi ƢU ĐIỂM NHƢỢC ĐIỂM
Bảo mật an toàn được đảm bảo nhờ công nghệ mã hóa, giúp ngăn chặn việc nghe trộm hoặc đánh cắp dữ liệu sau khi kết nối được thiết lập.
- Các thiết bị có thể kết nối với nhau trong vòng 10m đến 100m
- Tốn ít năng lƣợng, khi ở chế độ chờ tốn 0.3mAh, hoạt động 30mAh trong chế độ truyền dữ liệu
- Không gây nhiễu các thiết bị không dây khác
- Tốc độ thấp, khoảng 720kbps tối đa
- Bắt sóng kém khi có vật cản, dễ bị
- Chờ kết nối bluetooth tiêu tốn một khoảng thời gian nhất định
3.1.5 Tổng quan về màn hình OLED
Giới thiệu phần mềm
App Inventor là một công cụ lập trình miễn phí, phù hợp cho mọi đối tượng, bao gồm cả trẻ em, và đã tạo nên một bước đột phá trong lĩnh vực lập trình ứng dụng di động Với MIT App Inventor, người dùng có thể dễ dàng xây dựng các thành phần cơ bản của ứng dụng Android như nút bấm, lựa chọn, chọn ngày giờ, hình ảnh, văn bản và thông báo Công cụ này cho phép sử dụng nhiều tính năng trên điện thoại như chụp ảnh, quay video và chia sẻ qua mạng xã hội Ngoài ra, App Inventor còn hỗ trợ kết nối danh bạ, Bluetooth, email và lưu trữ tệp tin txt, cũng như tạo cơ sở dữ liệu đơn giản trên thiết bị hoặc đám mây thông qua server tự tạo hoặc Firebase.
Mặc dù MIT App Inventor có những nhược điểm như giao diện chưa chuyên nghiệp và giới hạn dung lượng mỗi project chỉ 5MB, phần mềm này vẫn là một công cụ hữu ích cho người mới bắt đầu lập trình Android Nó giúp người dùng tạo ra những ứng dụng hoàn thiện và hỗ trợ các nhà phát triển trong việc hiện thực hóa ý tưởng của mình.
3.2.2 Phần mềm lập trình Arduino IDE
Arduino IDE là phần mềm lập trình miễn phí cho Arduino, hỗ trợ ba nền tảng phổ biến: Windows, MacOS và Linux Với tính chất mã nguồn mở, người dùng có thể mở rộng và tùy chỉnh môi trường lập trình theo nhu cầu Giao diện phần mềm bao gồm thanh công cụ với các nút lệnh menu như File, Edit, Sketch, Tools và Help, giúp người dùng dễ dàng truy cập các chức năng cần thiết.
Dưới đây là 37 biểu tượng cho phép truy cập nhanh các chức năng thường dùng của IDE Trong khu vực viết chương trình, bạn sẽ thực hiện các đoạn mã của mình, và tên chương trình sẽ hiển thị ngay dưới dãy biểu tượng Công cụ gỡ lỗi hỗ trợ người dùng trong việc xác định và khắc phục lỗi trong mã nguồn, giúp lập trình viên và kỹ sư phần mềm kiểm tra các phân đoạn mã khác nhau để phát hiện lỗi trước khi ứng dụng được phát hành.
IDE mang lại nhiều lợi ích cho nhà phát triển, bao gồm việc cung cấp một môi trường tích hợp cho các nhu cầu như hệ thống kiểm soát phiên bản và công cụ gỡ lỗi Nó hỗ trợ gợi ý và hoàn thành mã nhanh chóng, tự động kiểm tra lỗi và thông báo vị trí lỗi cụ thể Khả năng tái cấu trúc giúp lập trình viên dễ dàng thực hiện các thay đổi trên mã nguồn và dự án Ngoài ra, IDE còn có hệ thống quản lý dự án và mã nguồn, kết hợp với nhiều hệ quản trị cơ sở dữ liệu lớn, hoạt động trên nhiều hệ điều hành như Windows, Linux và Mac Nhiều IDE cho phép mở rộng và bổ sung tính năng theo mục đích dự án, phục vụ cho việc phát triển phần mềm, ứng dụng và game trên nền tảng mobile và desktop.
QUY TRÌNH THIẾT KẾ
Giới thiệu hệ thống
Trong dự án này, Arduino Mega 2560 đóng vai trò trung tâm trong việc thu thập và xử lý dữ liệu từ các cảm biến, bao gồm cảm biến nhịp tim và nồng độ oxy trong máu MAX30100, cùng với cảm biến nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc MLX90614 Hệ thống cũng gửi tín hiệu đã xử lý đến màn hình hiển thị OLED và ứng dụng App Inventor trên điện thoại Android Thiết bị được trang bị một nút nguồn, một nút nhấn để chọn chế độ đo nhịp tim và SpO2, cùng với một công tắc để bật/tắt khi đo nhiệt độ Khi nhấn nút đo, đèn LED xanh sẽ sáng để thông báo quá trình đo, trong khi buzzer phát tín hiệu cảnh báo khi các thông số vượt ngưỡng bình thường Thiết bị còn sử dụng đầu phát laser để xác định vị trí khi đo nhiệt độ Người dùng có thể dễ dàng điều khiển thiết bị thông qua các nút nhấn và công tắc, với kết quả hiển thị trên màn hình OLED và ứng dụng điện thoại Chương này sẽ tập trung vào việc tính toán và thiết kế các khối cho hệ thống, dựa trên yêu cầu của đề tài để lựa chọn linh kiện và thiết bị phù hợp.
Tính toán và thiết kế hệ thống
4.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Hệ thống được thiết kế để thu nhận và xử lý dữ liệu từ cảm biến, sau đó hiển thị dữ liệu trên màn hình OLED Ứng dụng App Inventor sẽ lấy dữ liệu và trình bày trên điện thoại Android Hệ thống cũng cung cấp cảnh báo qua buzzer khi thông số vượt ngưỡng bình thường Sơ đồ khối của đề tài, như hình 3.1, giúp người đọc có cái nhìn tổng quan về cấu trúc và thành phần của hệ thống, đồng thời cho thấy rõ các chiều phát ra và nhận tín hiệu, cũng như nguồn của các khối trong hệ thống Qua sơ đồ, người dùng có thể hình dung quá trình tương tác, điều khiển và trao đổi tín hiệu giữa các linh kiện và mạch điện.
Hình 4 1 Sơ đồ khối của hệ thống
- Khối nguồn: Cấp nguồn 9 V cho khối xử lý trung tâm là board Arduino Mega
Bảng Arduino Mega 2560 sẽ cung cấp nguồn cho các khối khác và xử lý tín hiệu từ các cảm biến Nó nhận tín hiệu chế độ đo và hiển thị giá trị cảm biến lên màn hình Oled và ứng dụng điện thoại.
- Khối cảm biến: Cảm biến đo nhiệt độ MXL90614, cảm biến đo nhịp tim và Spo2 MAX3010 và gửi cho khối xử lý trung tâm
Khối chọn chế độ và thông báo bao gồm nút nhấn để lựa chọn chế độ đo nhịp tim và Spo2, cùng với công tắc để thực hiện đo nhiệt độ Đèn LED màu xanh sẽ sáng lên để thông báo rằng thiết bị đang trong quá trình đo.
- Khối hiển thị trên Oled: Hiển thị giá trị nhiệt độ, nhịp tim và Spo2 lên màn hình Oled
- Khối hiển thị trên điện thoại: Hiển thị giá trị các thông số lên App Inventor trên điện thoại Android thông qua module bluetooth
- Khối cảnh báo: Buzzer sẽ phát ra tiếng bíp khi một trong các giá trị đo nằm ngoài ngưỡng bình thường
4.2.2 Tính toán và thiết kế các khối a Khối nguồn
- Sử dụng Pin Cell 18650 4200mAh 3.7V
Để đáp ứng nhu cầu sử dụng thiết bị ở mọi địa điểm, yêu cầu về nguồn điện cung cấp đầy đủ và không phụ thuộc vào nguồn điện lưới là rất quan trọng Pin Cell 18650 4200mAh 3.7V đáp ứng tốt các điều kiện này với tuổi thọ cao và thời gian chờ kéo dài, đồng thời mức hao hụt năng lượng rất nhỏ Kích thước nhỏ gọn của pin cũng phù hợp với những thiết bị cần tính linh hoạt trong di chuyển Do đó, nhóm quyết định sử dụng 2 Pin Cell 18650 4200mAh 3.7V làm bộ nguồn cho thiết bị.
- Sử dụng 2 Pin Cell 18650 4200mAh 3.7V mắc nối tiếp
Nguồn đƣợc cấp vào Arduino Mega thông qua jack cắm điện Arduino Mega
2560 nhận nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7 – 12 VDC Khi mắc 2 Pin Cell
18650 4200mAh nối tiếp ta có điện áp là 7.4 V Điện áp này thỏa mãn yêu cầu khi cấp nguồn cho Arduino Mega
Để thiết kế một khối nguồn hiệu quả, việc tính toán công suất tiêu thụ là rất quan trọng Trước tiên, cần xác định điện áp và dòng điện hoạt động của từng linh kiện trong mạch Sau đó, tổng hợp dòng sử dụng của tất cả các linh kiện để tính ra tổng dòng điện cần thiết cho mạch Việc này đảm bảo rằng khối nguồn cung cấp đủ công suất, điện áp và dòng điện cho toàn bộ mạch hoạt động ổn định.
Bảng 4 1 Công suất tiêu thụ của mạch điện
Stt Thiết bị , mạch điện Điện áp hoạt động Dòng tiêu thụ
7 Led đục màu xanh lá 5V DC 20 mA
Ta có công thức tính công suất là:
I là cường độ dòng điện (A)
Dựa vào bảng 4.1, các thiết bị trong mạch hoạt động với điện áp đầu vào 5 V và có dòng tiêu thụ khác nhau Để tính tổng công suất tiêu thụ của hệ thống, chúng ta sử dụng công thức 3.1.
Chọn bộ nguồn với 2 Pin Cell 18650 4200mAh 3.7V, khi nối tiếp, điện áp đạt 7.4V và dòng điện là 4.2A Sử dụng công thức 3.1, ta có thể tính được công suất tối đa mà pin có thể cung cấp.
Công suất tối đa của pin đạt 31.08 W, vượt xa mức tiêu thụ toàn mạch là 2.63 W, cho phép chúng ta sử dụng 2 Pin Cell 18650 4200mAh 3.7 V làm nguồn cấp cho mạch.
Thiết bị được thiết kế với nhiều module hoạt động, sử dụng nguồn 5V cho các module và tín hiệu cần xử lý từ hai cảm biến khác nhau Giao tiếp I2C qua hai chân SCL và SDA cho phép truyền dữ liệu tới nhiều module Nhóm đã chọn Arduino Mega 2560 làm bộ xử lý trung tâm do có số chân giao tiếp lớn, với 54 chân digital IO và 16 chân analog IO, đảm bảo khả năng giao tiếp đồng thời với nhiều module Thiết bị yêu cầu xử lý ba thông số: nhịp tim, SpO2 và nhiệt độ Arduino Mega 2560, với bộ nhớ flash gấp bốn lần so với UNO R3 và được trang bị ba timer cùng sáu cổng interrupt, hoàn toàn có khả năng xử lý nhiều nhiệm vụ cùng lúc.
Arduino Mega hỗ trợ điều khiển nhiều loại động cơ và xử lý song song nhiều luồng dữ liệu số, giúp các nhà phát triển viết những chương trình phức tạp hơn Với khả năng này, nó có thể điều khiển các thiết bị lớn như máy in 3D và robot.
2560 phiên bản hiện đang đƣợc sử dụng rộng rãi và ứng dụng nhiều hơn
- Vi điều khiển chính: ATmega2560
- Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngoài cắm từ giắc tròn DC
- Số chân Digital I/O: 54 (trong đó 15 chân có khả năng xuất xung PWM)
- Dòng điện DC Current trên mỗi chân I/O: 20mA
- Dòng điện DC Current chân 3.3V: 50mA
- Flash Memory: 256 KB trong đó 8 KB sử dụng cho bootloader
- Kích thước: 101.52 x 53.3 mm c Khối cảm biến
Hình 4 3 Module tích hợp cảm biến MAX30100
Nhóm nghiên cứu đã lựa chọn cảm biến nhịp tim và nồng độ oxy trong máu MAX30100 cùng với cảm biến nhiệt độ hồng ngoại MLX90614 để phục vụ cho đề tài Cảm biến MAX30100 nổi bật nhờ tính phổ biến, dễ sử dụng và lập trình, đặc biệt trong lĩnh vực y sinh Nó đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu bằng phương pháp hấp thụ quang học, với thiết kế và chất liệu chính hãng từ Maxim, đảm bảo độ chính xác, độ bền cao và độ nhiễu thấp Hơn nữa, cảm biến này hỗ trợ giao tiếp I2C, giúp dễ dàng kết nối với Arduino, như mô tả trong sơ đồ chân ở hình 4.3.
- Điện áp sử dụng: 1.8~5.5VDC
- Nhỏ gọn, siêu tiết kiệm năng lƣợng, thích hợp cho các thiết bị đo nhỏ gọn, Wearable Devices
- Giao tiếp: I2C, mức tín hiệu TTL
Cảm biến đo nồng độ oxy trong máu sử dụng công nghệ quang phổ kế và xung động kế Phương pháp quang phổ dựa trên sự khác biệt trong khả năng hấp thụ ánh sáng giữa Hemoglobin (Hb) và Oxyhemoglobin (HbO2).
Phép đo xung động ký hoạt động sử dụng hai bước sóng ánh sáng khác nhau, bao gồm ánh sáng đỏ (660nm) và ánh sáng hồng ngoại (880nm) Nguyên lý hoạt động dựa trên sự thay đổi chu kỳ của độ hấp thu ánh sáng khi ánh sáng truyền qua mô, do sự biến đổi thể tích máu giữa kỳ tâm thu và tâm trương.
Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc MLX90614 có kích thước nhỏ gọn, chi phí thấp và tiêu thụ điện năng ít Với khả năng đo nhiệt độ mà không cần tiếp xúc trực tiếp, cảm biến này hoàn toàn phù hợp với yêu cầu của thiết bị Do đó, nhóm đã quyết định sử dụng cảm biến MLX90614 để thực hiện việc đo nhiệt độ.
Hình 4 4 Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc MLX90614
- Kích thước: 11.5x16.5mm d Khối chọn chế độ đo và thông báo
Sau khi bật nguồn, người dùng cần nhấn nút chọn chế độ đo Chế độ đo nhịp tim và SpO2 được kích hoạt bằng cách giữ nút màu xanh Nút nhấn này cho phép người dùng tương tác dễ dàng với giao diện chương trình.
46 trình Nút nhấn đƣợc nối thêm vào điện trở 10k để hạn dòng vào vi diều khiển Mạch điện nút nhấn được thể hiện như hình 4.5 bên dưới:
Hình 4 5 Mạch điện khối nút nhấn
Sơ đồ nguyên lí toàn mạch
Hình 4 8 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Arduino Mega hoạt động với nguồn cấp 7V, kết nối chân SCL và SDA với hai cảm biến và OLED LCD để nhận, xử lý và hiển thị dữ liệu Chân TX và RX của Arduino được kết nối với chân RX và TX của Module Bluetooth HC-05 qua mạch cầu phân áp để gửi dữ liệu lên ứng dụng Hai nút nhấn được kết nối với hai chân PWM để gửi tín hiệu chọn chế độ về trung tâm xử lý.
Thiết kế bo mạch
Bảng 4 2 Danh sách các dụng cu thi công mạch
STT Tên Số lƣợng Chú thích
1 Bảng vẽ PCB 1 mặt 1 Xuất file PDF 1 mạch
2 Board đồng 1 Kích thước: 10cm x 12cm
4 Muối rửa đồng 1 Pha với nước tạo thành dung dịch
6 Giấy nhám 1 Có thể thay thành bùi nhùi thép
8 Khây rửa mạch 1 Có thể tận dụng thâu nhựa
9 Bút lông 1 Vẽ lại đường dây khi bị đứt
Hình 4 9 Sơ đồ mạch in lớp dưới của mạch Để trực quan hơn trong việc thi coongm sơ đồ bố trí linh kiện đƣợc tạo ra
Hình 4.10 minh họa bố trí linh kiện của mạch, trong đó nổi bật là Arduino Mega 2560 Các linh kiện được kết nối với mạch thông qua jack cắm và dây bus, tạo nên một hệ thống linh hoạt và dễ dàng thao tác.
Hình 4 10 Sơ đồ 3D của mạch
Bảng 4 3 Danh sách các linh kiện, module, cảm biến sử dụng trong hệ thống
STT Tên linh kiện Số lƣợng
Để tạo ra một bản mạch in, cần thực hiện các bước như in mạch, chuyển mực in lên mạch, rửa mạch và khoan lỗ gắn chân linh kiện Giấy in mạch được làm từ loại giấy bóng trơn và chịu nhiệt, trong khi mực in sử dụng loại mực nhiệt để chuyển mực lên board đồng thông qua nhiệt độ cao Board đồng là vật liệu cách điện và chịu nhiệt, có thể được phủ đồng một hoặc hai mặt tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng Mạch in trên giấy và board đồng được thể hiện trong hình 4.11.
Hình 4 11 Mạch in trên giấy
Quy trình làm mạch, lắp ráp và kiểm tra:
Bước 1: Rửa board đồng sạch sẽ bằng nước rửa mạch sau đó tiến hành ủi mạch in
Bước 2: Kiểm tra kết nối giữa các linh kiện với nguồn sau đó tiến hành phủ nhựa thông lên để bảo vệ mạch
Bước 3: Tiến hành khoan mạch gắn các dây bus và hàn mạch
Bước 4: Sau khi việc hàn mạch được hoàn tất, tiến hành gắn linh kiện vào mạch và kiểm tra lại mạch
Bước 5: Cấp nguồn 5V cho Arduino, Led, buzzer, và cảm biến hoạt động Bước 6: Tiến hành nạp chương trình và kiểm tra hoạt động
Hình 4 12 Board mạch lớp dưới
Sau khi in mạch PCB, cần làm sạch bề mặt miếng đồng bằng giấy nhám trước khi ủi mạch lên Board đồng Khi ủi, chú ý rằng giấy chuyển sang màu đen đều xung quanh để tránh tình trạng không ăn mực Sử dụng bút dạ để tô lại những chỗ bị lỗi Tiếp theo, pha dung dịch ăn mòn FeCl3, càng đặc thì ngâm càng nhanh Sau khi ăn mòn xong, dùng giấy cọ xoong nồi với một chút xà phòng Omo để làm sạch mực, sau đó rửa sạch bằng nước và sấy khô Cuối cùng, khoan lỗ mạch in và tiến hành lắp ráp linh kiện, hàn mạch, nạp code và kiểm tra kết quả.
Hình 4 13 Board mạch lớp trên
Thiết kế mô hình
Sau khi kiểm tra thấy mạch hoạt động tốt ta tiến hành đóng hộp thành mô hình
Hệ thống được thiết kế nhỏ gọn, đáp ứng nhu cầu sử dụng linh hoạt và tiện lợi cho việc di chuyển Sau khi thi công, phần mạch điện sẽ được đóng gói cẩn thận Yêu cầu chính của thiết bị là tính gọn nhẹ, giúp người dùng dễ dàng vận chuyển và sử dụng.
Hộp đựng được thiết kế theo bản vẽ hình 4.6, bao gồm mặt trước, mặt sau, mặt bên và mặt trong Mặt trước hiển thị mô hình từ trên xuống với trụ cố định mạch và hộp, cùng với hai nút nhấn và một màn hình OLED Xung quanh hộp có các nút gài để cố định chắc chắn.
Hình 4 14 Thiết kế hộp đựng (ảnh mô hình)
Sau khi cắt mica, các thành phần sẽ được lắp ráp theo trình tự thiết kế Pin sẽ được lắp vào ngăn đã được thiết kế sẵn, tiếp theo là lắp Button, Oled và Led xanh Các mặt của hộp được cố định bằng 4 trụ đứng và vít M3 10mm như hình 4.15.
Hình 4 15 Thi công lắp các phần vào hộp đựng
4.5.2 Thi công tay cầm đo nhiệt độ
Nhóm thiết kế đã phát triển một tay cầm đo nhiệt độ 3D nhỏ gọn và dễ sử dụng, với hai lỗ tròn để gắn cảm biến nhiệt độ hồng ngoại và đầu laser 5 V Thiết kế này cho phép người dùng xác định vị trí đo khi thực hiện các phép đo từ xa.
58 cầm còn gắn công tắt on – off để người dùng thuận tiện bật / tắt khi đo Thiết kế chi tiết của mô hình thể hiện ở hình 4.8 bên dưới
Hình 4 16 Thiết kế tay cầm
Sau khi đã thiết kế mô hình 3D trên phần mềm Solidworks, ta tiến hành mua nhựa in 3D để in mô hình
Hình 4 17 Tay cầm đo nhiệt độ khi hoàn thành
4.5.3.Thi công hộp đựng cảm biến Max30100 Để đo nhịp tim và Spo2 cần đặt đầu ngón tay lên cảm biến Khi đo, để kết quả đƣợc chính xác và giảm nhiễu ngón tay cần đặt ở tƣ thế thỏa mái, tránh sự rung lắc khi đo Với những yêu cầu này, nhóm thiết kế hộp đựng cảm biến Max30100 Hộp đựng
Hộp 59 được chia thành hai phần: phần dưới đáy chứa cảm biến, trong khi bề mặt hộp có khe dành cho đầu ngón tay khi thực hiện đo lường Thiết kế chi tiết của hộp đựng được minh họa trong hình 4.18 bên dưới.
Hình 4 18 Thiết kế hộp đựng cảm biến Max30100
Hình 4 19 Hộp đựng cảm biến Max30100 khi hoàn thành
Sau khi hoàn thành việc đóng gói bộ điều khiển bằng hộp mica và lắp đặt tay cầm đo nhiệt độ cùng hộp đựng cảm biến Max30100, chúng ta tiến hành lắp ráp các thành phần lại với nhau để hoàn thiện mô hình thiết bị Từ mô hình đã thiết kế, chúng ta có bảng danh sách vật liệu cần chuẩn bị cho quá trình thi công, như được trình bày trong bảng 4.4 dưới đây.
Bảng 4 4 Chi tiết các linh kiện, vật liệu để thi công mô hình
STT Tên Số lƣợng Chú thích
2 Mica 20cm x 40cm 3mm,5mm
4 Dây bus 9 2pin, 4 pin, 6pin, 7 pin
Hình 4 20 Bên trong mô hình thiết bị
Mô hình bao gồm một hộp chứa pin và bo mạch điều khiển, được kết nối với các linh kiện thông qua dây bus Màn hình OLED, nút nhấn và đèn LED xanh được thiết kế nổi trên nắp hộp, tạo điều kiện thuận lợi cho người dùng trong việc thao tác với thiết bị.
Thiết bị hoàn thành được trang bị màn hình OLED hiển thị kết quả đo, cùng với hai nút nhấn được chú thích rõ ràng, giúp người dùng dễ dàng sử dụng Phía bên phải, thiết bị có hộp đựng cảm biến Max30100 với khe để đặt đầu ngón tay, phục vụ cho việc đo nhịp tim và Spo2 Ngoài ra, tay cầm đo nhiệt độ được kết nối với thiết bị qua dây bus dài 30 cm, tạo sự thuận tiện khi đặt lên trán để đo.
Lập trình hệ thống
Thiết bị này có hai chức năng chính: đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu, cũng như đo nhiệt độ Người dùng có thể dễ dàng lựa chọn chức năng mong muốn thông qua hai nút nhấn Khi nhấn nút nguồn, thiết bị sẽ khởi động ngay lập tức.
Giao diện màn hình chính trên Oled hiển thị 61 động và cho phép người dùng chọn chế độ đo thông số Khi nhấn nút, quá trình đo sẽ được thực hiện và LED sẽ sáng để thông báo Nếu giá trị đo vượt ngưỡng cho phép, còi buzzer sẽ phát cảnh báo Đồng thời, các thông số cũng được hiển thị trên App Inventor thông qua kết nối Bluetooth.
4.6.1.1 Lưu đồ giải thuật chương trình chính
Hình 4 21 Lưu đồ giải thuật chương trình
Quá trình bắt đầu với việc khai báo thư viện và khởi tạo các biến cần thiết để giao tiếp với vi điều khiển Khi thiết bị được khởi động, màn hình sẽ hiển thị giao diện chính, cho phép người dùng chọn chức năng thông qua nút nhấn Sau khi nhấn nút, thiết bị sẽ tiến hành đo và hiển thị kết quả Khi thả nút nhấn, màn hình sẽ trở về giao diện ban đầu.
4.6.1.2.Chương trình chọn chế độ sử dụng
Hình 4 22 Lưu đồ chọn chế độ sử dụng
Thiết bị có 3 giao diện màn hình
- Khi khởi động hoặc không nhấn chọn chế độ nào cả thiết bị sẽ hiển thị giao diện màn hình chính
Khi nhấn nút 1, chức năng đo nhiệt độ sẽ được kích hoạt, đồng thời chương trình con sẽ thực hiện việc đo nhiệt độ và hiển thị giao diện đo trên màn hình.
Khi nhấn nút 2, bạn có thể sử dụng chức năng đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu Chương trình sẽ hoạt động đồng thời, hiển thị giao diện đo nhịp tim và nồng độ oxy trên màn hình.
4.6.1.3 Chương trình đo nhịp tim, Spo2
Hình 4 23 Lưu đồ chương trình đo nhịp tim, Spo2
- Đo nhịp tim, SPO2 bằng cách để cảm biến nhịp tim trên thiết bị áp vào cơ thể (thường sử dụng đầu ngón tay)
Chương trình đèn LED đỏ và LED hồng ngoại trên cảm biến sẽ phát ra ánh sáng với các bước sóng xuyên qua ngón tay, nhằm kiểm tra nhịp tim và mức độ Spo2.
Chương trình sẽ tính toán nhịp tim và chỉ số Spo2, sau 5 giây, kết quả sẽ được hiển thị trên màn hình Oled và ứng dụng App Inventor Kết quả này sẽ được lưu lại để thuận tiện cho việc theo dõi sau này.
- Chương trình sẽ thực hiện việc so sánh kết quả với ngưỡng đặt trước và đưa ra cảnh báo
4.6.1.3 Chương trình đo nhiệt độ
Hình 4 24 Lưu đồ chương trình đo nhiệt độ
- Để đo nhiệt độ đầu cảm biến sẽ thu bức xạ hồng ngoại trên bề mặt cần đo và chuyển nguồn năng lƣợng này thành tín hiệu điện
- Tín hiệu điện sẽ đƣợc bộ xử lý tính toán và cho ra giá trị nhiệt độ
- Chương trình sẽ thực hiện 3 lần đo với khoảng thời gian cách nhau là 10 ms
- Kết quả cuối cùng là trung bình của ba lần đo
- Chương trình sẽ gửi kết quả lên Oled, App và so sánh kết quả với ngưỡng đặt trước rồi đưa ra cảnh báo
4.6.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển
Arduino IDE là một phần mềm lập trình hỗ trợ cho việc phát triển các phần cứng tương thích Đây là môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân, được xây dựng bằng ngôn ngữ Java, mang tính đa nền tảng Phần mềm này chủ yếu được sử dụng cho lập trình vi xử lý và viết dự án, được thiết kế đặc biệt cho những người mới bắt đầu trong lĩnh vực phát triển phần mềm.
Viết chương trình cho Arduino Mega 2560 để đọc cảm biến và gửi dữ liệu lên App Inventor qua chuẩn truyền UART Đầu tiên, tải phần mềm Arduino IDE từ trang chủ Arduino.cc, sau đó cài đặt theo hướng dẫn Arduino IDE bao gồm các thành phần như thanh bảng chọn, thanh công cụ, vùng code editor và vùng thông báo trạng thái Thanh bảng chọn cung cấp các tùy chọn như File, Edit, Sketch, Tool và Help, trong khi thanh công cụ chứa các chức năng quan trọng như biên dịch, nạp, tạo mới, mở và lưu.
4.6.3 Phần mềm lập trình cho điện thoại Để tiến hành điều khiển thông qua ứng dụng trên điện thoại theo yêu cầu sử dụng và dành cho người không chuyên, phần mềm Mit App Inventor là lựa chọn phù hợp và tiện ích trong vấn đề này Các giới thiệu về phần mềm có thể tham khảo trong Chương 2 Cơ sở lý thuyết
Lưu đồ chương trình App (hình 4.25)
- Chức năng của App được thể hiện qua lưu đồ bên trên
- Khi mở App sẽ hiển thị giao diện chính gồm tên thiết bị và 2 nút nhấn lựa chọn chế độ đo
Khi chọn một trong hai chế độ, giao diện tương ứng sẽ hiển thị Để xem dữ liệu đo, người dùng cần nhấn kết nối Bluetooth, qua đó dữ liệu từ bộ xử lý trung tâm sẽ được gửi lên ứng dụng Chương trình sẽ kiểm tra xem có nhấn nút trở về hay không; nếu có, nó sẽ quay về màn hình chính Đồng thời, ứng dụng cũng sẽ lưu trữ dữ liệu vào file text.
Hình 4 25 Lưu đồ chương trình cho App
- Đăng nhập vào trang Web Mit App Inventor Đăng nhập tài khoản và tạo file làm việc
- Tạo giao diện cho ứng dụng bằng cách sử dụng hình ảnh và các công cụ hỗ trợ Cài đặt các kết nối cần thiết
- Sau khi tạo giao diện ta chuyển qua trang lập trình để mô tả chức năng hoạt
67 động của ứng dụng bằng cách lắp ráp các thẻ lệnh
- Bước cuối cùng là build chương trình ta sẽ có mã QR và thực hiện cài đặt.
Tài liệu hướng dẫn và cách sử dụng
4.7.1 Tài liệu hướng dẫn sử dụng a Hướng dẫn các bước
Bước 1: Cấp nguồn cho hệ thống bằng 2 pin cell 18650 4200mAh 3.7V Khi nhấn nút màu đỏ, đèn trên cảm biến và màn hình giao diện chính sẽ hiển thị trên Oled.
Bước 2: Chọn chế độ hoạt động (hình 4.26) Nhấn nút xanh: Cảm biến
Bật công tắc trên tay đo nhiệt độ: Cảm biến MLX 90614 hoạt động
Hình 4 26 Các nút nhấn và công tắc trên thiết bị
Để đo nhịp tim và SpO2 bằng cảm biến MAX30100, bạn cần ngồi ở tư thế thoải mái và thả lỏng cơ thể Sau đó, hãy đặt đầu ngón tay trỏ của tay phải lên khe đo để thực hiện quá trình đo.
68 trái nhấn nút đo Lưu ý trong quá trình đo không được di chuyển vị trí ngón tay, những cử động của cơ thể sẽ làm lệch kết quả đo
Để đo nhịp tim và SPO2, bạn cần đưa cảm biến đến vị trí cần đo, giữ khoảng cách 1-2cm Sau khi bật công tắc đo, kết quả sẽ được hiển thị trên màn hình.
Hình 4 28 Đo nhiệt độ cơ thể người
Bước 4: Tắt thiết bị khi đã sử dụng xong bằng cách nhấn nút nguồn màu đỏ b Hướng dẫn sử dụng App trên điện thoại
Bước 1: Nhấn mở App có tên “Đo_an’’ trên điện thoại
Bước 2: Chọn một trong 2 chế độ đo bằng cách nhấn 1 nút chọn bên dưới màn hình chính (hình 4.29)
Hình 4 29 Nút nhấn chọn chế độ trên App
Sau khi chọn chế độ đo, màn hình sẽ hiển thị giao diện tương ứng Tiếp theo, nhấn vào mục “Chưa kết nối” để bắt đầu kết nối Bluetooth Khi kết nối thành công, trạng thái Bluetooth sẽ chuyển thành “Đã kết nối”.
Hình 4 30 Trạng thái hiển thị Bluetooth trước và sau khi kết nối
Sau khi kích hoạt kết nối Bluetooth, kết quả đo sẽ xuất hiện trên ứng dụng Để chuyển đổi chế độ đo, bạn chỉ cần nhấn nút “trở về” ở cuối giao diện đo và thực hiện lại các bước như ở bước 3.
Để xem file kết quả đã lưu, bạn cần truy cập vào tệp quản lý dữ liệu trên điện thoại và tìm file text có tên "lần lượt" như hình 4.31 để kiểm tra kết quả.
Hình 4 31 File lưu kết quả đo trên App điện thoại
Nhằm giúp người vận hành dễ thao tác với nút sau đây sẽ là quy trình khi nhấn nút Chọn chế độ đo nhiệt độ:
Chọn chế độ đo nhịp tim và Sp02:
Khi nút nhấn được bật, vi điều khiển sẽ cấp nguồn cho cảm biến hoạt động Kết quả đo sẽ được hiển thị trên màn hình OLED và ứng dụng Dữ liệu từ mỗi lần đo sẽ được lưu thành file dữ liệu Lưu ý rằng nút nhấn có thể gặp sự cố như nhảy hoặc không nhận, vì vậy người dùng cần nhấn lại để thực hiện phép đo.
Hình 4 32 Quy trình chọn chế độ đo nhịp tim, SPO2
Hình 4 33 Quy trình thao tác cho thiết bị đo
