BÁO cáo đồ án 2 đề tài THIẾT kế MẠCH đo NHỊP TIM HR sử DỤNG cảm BIẾN HỒNG NGOẠI đặt tại đầu NGÓN TAY

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2 Đề tài THIẾT KẾ MẠCH ĐO NHỊP TIM HR SỬ DỤNG CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI ĐẶT TẠI ĐẦU NGÓN TAY Giảng viên hướng dẫn TS Vũ Duy Hải Sinh viê[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO ĐỒ ÁN Đề tài: THIẾT KẾ MẠCH ĐO NHỊP TIM HR SỬ DỤNG CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI ĐẶT TẠI ĐẦU NGÓN TAY Giảng viên hướng dẫn: TS Vũ Duy Hải Sinh viên thực hiện: Hoàng Anh Tuấn ĐTVT 07-K55 20102418 Phương Văn Tưởng ĐTVT 03-K55 20102536 Lê Thế Tuấn ĐTVT 01-K55 20104840 Mobile: 0167 902 6585 Email: hoanganhtuanbkhn@gmail.com Hà Nội, 1/2014 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat Mục Lục Lời mở đầu Chương Giới thiệu đề tài Tên đề tài Khái quát chung 1.2.1Giới thiệu dòng vi xử lý MSP430 1.2.2 Các sản phẩm có thị trường 1.2.3 Các tiêu kỹ thuật sản phẩm Chương II Phân tích yêu cầu lập kế hoạch 2.1 Phân tích thiết kế mạch 2.1.1 Sơ đồ phân cấp chức hệ thống 2.1.2 Sơ đồ khối mạch 2.1.3 Pha hoạt động mạch 2.2 Lập kế hoạch 11 2.3 Nhiệm vụ công việc thành viên 13 2.2.1 Hoàng Anh Tuấn 13 2.2.2 Phương Văn Tưởng 13 2.2.3 Lê Thế Tuấn 13 Chương III Thiết kế khối 14 3.1 Khối cảm biến 14 3.2 Khối lọc nhiễu tín hiệu 15 3.3 Khối khuyếch đại 16 3.4 Khối vi xử lý 16 3.5 Khối hiển thị 17 3.6 Khối nguồn 18 Chương IV Triển khai kết đạt 19 4.1 Đo hiệu chỉnh giá trị tín hiệu oscilloscope cho khối cảm biến 19 4.2 Mạch hoàn chỉnh sau thực ghép khối 21 Chương V Kết luận hướng phát triển đề tài 22 Tài liệu tham khảo 23 Phụ lục 24 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat Lời mở đầu Tim phận quan trọng hệ tuần hoàn động vật, với chức vụ bơm đặn để đẩy máu theo động mạch đem dưỡng khí chất dinh dưỡng đến tồn thể Chính đo nhịp tim điều quan trọng hệ thống tim mạch người Nhịp tim nhanh hay chậm phụ thuộc vào thể trạng, trạng thái thể Ví dụ nhịp tim người trưởng thành trạng thái nghỉ bình thường 72 nhịp phút (bpm) Vận động viên thường có nhịp đập thấp người bình thường, người hoạt động Trẻ em lại có nhịp tim nhanh hơn, khoảng 120 bpm, trẻ em lớn tuổi, trẻ vị thành niên lại có nhịp tim vào khoảng 90 bpm Khi tập thể dục, làm việc nặng nhọc nhịp tim tăng trở mức bình thường nghỉ ngơi Nếu nhịp tim bạn mà thấp người bình thường dấu hiệu tình trạng gọi nhịp tim chậm ngược lại Từ thời xa xưa, việc đo nhịp tim trở nên vơ quan trọng có điều xác thủ cơng cách bắt mạch cổ tay… Cách mang tính ước lượng, theo kinh nghiệm chủ yếu dễ có sai sót Nhưng ngày nay, với phát triển cơng nghệ máy đo nhịp tim đời, gọn nhẹ tiện dụng Ví dụ: máy đo điện tim (ECG) thiết bị thông dụng sở y tế, cho kết xác, cịn nhiều máy đo thơng dụng thị trường như: Máy đo nồng độ Oxy máu nhịp tim Maxcare, máy đo đeo tay Nymi công ty Byonim … Nhưng với giá thành không rẻ chút nào, vào khoảng triệu đồng cho sản phẩm, khơng phải sở hữu được, bạn sinh viên người có thu nhập thấp Chính nhóm em lựa chọn đề tài: với hi vọng thiết kế thiết bị có khả đưa kết xác, gọn nhẹ, dễ dàng sử dụng, chi phí thấp để hướng tới tất người dùng TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat Chương Giới thiệu đề tài Tên đề tài Đề tài: Thiết kế mạch đo nhịp tim sử dụng cảm biến hồng ngoại đặt đầu ngón tay hiển thị hình LCD Yêu cầu sử dụng dòng vi điều khiển MSP430 hãng IT Phân tích đề tài: Mục đích project thiết kế máy đo nhịp tim nhỏ gọn với mức tiêu hao lượng thấp có độ xác cao Hơn nữa, phải dễ dàng sử dụng, mang theo người có chi phí sản xuất thấp Máy đo sử dụng Led photosensor để phát thay đổi lượng máu đầu ngón tay Khái quát chung 1.2.1Giới thiệu dòng vi xử lý MSP430 MSP430 kết hợp chặt chẽ CPU RISC 16 bit, khối ngoại vi, hệ thống xung linh hoạt MSP430 đưa giải pháp tốt cho nhu cầu ứng dụng với nhiều phiên khác MSP430 có số phiên như: MSP430x1xx, MSP430x2xx, MSP430x3xx, MSP430x4xx, MSP430x5xx Dưới số đặc tính họ vi xử lý MSP430:  Kiến trúc nguồn điện cực thấp để mở rộng tuổi thọ Pin - 1uA trì RAM - 0.8 uA chế độ xung thời gian thực - 250 uA/MIPS tích cực TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat  Xử lý tín hiệu tương tự với hiệu xuất cao - 12-bit 10-bit ADC – 200Kbps, cảm biến nhiệt, V(Ref) - 12-bit kép ADC  16 bit RISC CPU cho phép nhiều ứng dụng, thể phần khích thước code lập trình - Thanh ghi lớn nên loại trừ trường hợp tắc nghẽn tập tin làm việc - Thiết kế nhỏ gọn làm giảm lượng tiêu thụ điện giảm giá thành - Tối ưu hóa cho chương trình ngơn ngữ bậc cao C, C++ - Có chế độ địa ghi - Khả ngắt theo véc tơ lớn  Trong lập trình cho nhớ Flash cho phép thay đổi code cách linh hoạt, phạm vi rộng, nhớ flash lưu lại nhật ký liệu 1.2.2 Các sản phẩm có thị trường Hiện khuôn khổ project nhỏ sử dụng mơn học Vi xử lý, có nhiều sản phẩm tương tự dùng dòng vi xử lý khác PIC, 8051, … Tất thành cơng với độ xác giới hạn cho phép thiết bị Tuy nhiên với việc sử dụng Vi điều khiển MSP430, chúng em hy vọng tạo mạch đo nhịp tim có độ vượt trội TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat 1.2.3 Các tiêu kỹ thuật sản phẩm  Yêu cầu chức mạch  Đo nhịp tim  Hiển thị kết LCD từ đưa lời kết luận cho người sử dụng  Yêu cầu phi chức mạch  Kết đo xác, với độ lệch + - nhịp  Gọn nhẹ, thân thiện với người dùng, dễ dàng sử dụng  Tiêu thụ điện nhờ sử dụng chip MSP430 TI  Có thể sử dụng nguồn điện: Nguồn pin Nguồn từ bên ngồi  Có nhiều chế độ đo cho người dùng lựa chọn  Giá thành thấp (khoảng 350.000 đồng )  Có thể đo với tất ngón tay  Các tiêu chí, thơng số kỹ thuật mach cần đạt - Đối tượng sử dụng: Tất người sử dụng - Tiêu thụ điện năng, công suất: Sử dụng nguồn pin nguồn bên ngồi 5V - Mơi trường hoạt động Thiết bị hoạt động môi trường có dải nhiệt từ -30º C to 80º C - Độ xác: Sai lệch tối đa nhịp lần đo - Chi phí cho sản phẩm: Tiền linh kiện: 200.000 -300.000 vnd Thời gian: tuần - Tính lâu bền sản phẩm: Từ 2-3 năm - Đóng gói sản phẩm: Gọn, nhẹ, đóng gói hồn tồn, có hướng dẫn sử dụng TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat Chương II Phân tích yêu cầu lập kế hoạch 2.1 Phân tích thiết kế mạch 2.1.1 Sơ đồ phân cấp chức hệ thống Máy đo nhịp tim Nhận xét kết đo Lựa chọn chế độ đo Đo nhanh Đo nâng cao Đo theo trạng thái người dùng Đo theo độ tuổi người lón trẻ nhỏ người già người bình thường sau hoạt động mạnh Chức mạch đo nhịp tim, người dùng chọn chế độ đo:  Chế độ đo nhanh: Ở chế độ này, người dùng đặt ngón tay lên sensor sau khoảng thời gian lấy mẫu xác định máy đếm nhịp tim thị khối hiển thị  Chế độ chế độ đo nâng cao: Về chất chế độ đo thị tiện ích chế độ sau đo xong đưa kết kết luận nhịp tim TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat người dùng hình hiển thị việc so sánh giá trị chuẩn lứa tuổi thể trạng mà khoa học chứng minh Ví dụ: người trưởng thành, trạng thái nghỉ đo cho kết khoảng 50 nhịp đập/ phút, so sánh với chuẩn 72 nhịp đập/ phút người bình thường mức chênh lệch so với chuẩn lớn so với mức cho phép nên thiết bị kết luận nhịp tim chậm, đưa lời gợi ý tới bác sĩ lời khuyên cho người đo Để tăng tính đa sản phẩm khơng lãng phí tài ngun sử dụng chip msp430 TI, chúng em có thêm chức phụ thêm vào hệ thống phần hiển thị thời gian thực, hẹn giờ, báo thức… Sản phẩm không thiết bị đo nhịp tim mà đồng hồ gọn nhẹ tiện dụng, phù hợp với vận động viên 2.1.2 Sơ đồ khối mạch Cấu tạo mạch gồm khối chính:  Optical transmitter and receiving circuit Sử dụng LED hồng ngoại photodiode sensor  Low pass filter and amplifier: Gồm mạch lọc thơng thấp, tầng khuếch đại tín hiệu  Key pad: Bao gồm phím ấn dùng để giao tiếp với người dùng  MCU: TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat Một vi điều khiển kết nối với khối mạch có chức đếm xử lý tín hiệu Đây khối quan trọng mạch  Display: Khối thiết kế gồm: LCD led thanh, ngồi cịn led nháy cịi báo(buzzer) Ngồi ra, nhóm chúng em thiết kế khối nguồn cho mạch, với mục tiêu đảm bảo nguồn ổn định cho mạch hoạt động bình thường 2.1.3 Pha hoạt động mạch  Bước Lấy tín hiệu từ Sensor (chi tiết thiết kế khối cảm biến)  Bước 2: Lọc tín hiệu Đây bước quan trọng tín hiệu đầu photodiode bị nhiễu khơng có ánh sáng từ LED mà cịn có ánh sáng khác từ bên ngồi tới sensor, làm tín hiệu bị biến dạng Nếu khơng lọc tín hiệu kết đếm dễ bị sai Ví dụ tín hiệu đầu sensor: Hình 2.2.3 Tín hiệu đầu photo-sensor Sau qua lọc thơng thấp kết là: TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat Hình 2.2.4 Tín hiệu đầu sau qua lọc thơng thấp  Bước 3: Số hóa tín hiệu Vì sử dụng vi xử lý để đếm tín hiệu nên tín hiệu phải số hóa Sau tín hiệu lọc bước qua mạch so sánh để đưa tín hiệu dạng xung clock hình bên dưới: Hình 2.3.5 Tín hiệu đầu sau qua so sánh  Bước 4: Đếm nhịp đập (Micro – controller) Sau tín hiệu số hóa đưa vào chân Vi Điều Khiển để đếm Thời gian đỉnh xung đo Vi Điều Khiển nhịp tim đo khoảng thời gian ngắn mà đặt tay đến phút  Bước 5: Hiển thị kết TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat 2.3 Nhiệm vụ cơng việc thành viên 2.2.1 Hồng Anh Tuấn Tìm hiểu học dịng vi xử lý MSP430 hãng IT Ứng dụng mạch tương tự vào xử lí tín hiêu đầu vào chip Tìm hiểu LCD Tham gia viết code cho Project: Code cho phần xử lý nút bấm 2.2.2 Phương Văn Tưởng Tìm hiểu học dòng vi xử lý MSP430 hãng IT Ứng dụng mạch tương tự vào xử lí tín hiêu đầu vào chip Tìm hiểu LCD Tham gia viết code cho Project: Code cho phần đếm sườn tín hiệu vào sử dụng ADC MSP430 2.2.3 Lê Thế Tuấn Học cách sử dụng phần mềm vẽ mạch Altium Thiết kế mạch in cho Project Tìm hiểu cảm biến TRT5000 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat Chương III Thiết kế khối 3.1 Khối cảm biến Đây khối vô quan trọng chức thu nhận tín hiệu ánh sáng chuyển đổi thành tín hiệu điện áp cho khối xử lý tương tự Cảm biến chúng em sử dụng RPR-359F.Đây cảm biến quang phản xạ, cực Emiter photodiode làm hợp chất bán dẫn GaAs cảm biến có độ nhạy cao Hơn được bao kín hợp chấtt nhựa plastic có khả lọc ánh sáng nhiễu từ bên ngồi Hình 3.1 Sơ đồ ngun lý khối Sensor Trong khối kết nối với chân vi điều khiển RA3 dùng để điều khiển hoạt động cảm biến thông qua Transistor QB1 Tín hiệu chân số led thu hồng ngoại hình vẽ  Chức khối cảm biến : phát nhịp đập tim  Nguyên lý hoạt động: TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat Hình 3.2 Vị trí ngón tay mạch phát nhịp đập Đầu tiên Optical Signal Transmitter (LED) phát ánh sáng xuyên qua ngón tay tới Optical Signal Receiver (sensor) Nhịp đập tim phát thông qua thay đổi lưu lượng máu đầu ngón tay, nhịp đập lưu lượng máu từ tim bơm khắp toàn thể khiến cho mật độ máu đầu ngón tay tăng lên gây sụt giảm mạnh cường độ ánh sáng tới sensor từ LED Sensor nhận cường độ tín hiệu ánh sáng thay đổi tuần hồn theo nhịp đập tim Vì sensor có nhiệm vụ chuyển tín hiệu ánh sáng sang tín hiệu điện nên đầu photo-sensor, điện áp bị thay đổi theo cường độ ánh sáng Giá trị điện áp đầu sensor khoảng 0-10 mV Giá trị điện áp tiếp tục xử lý khối lọc khuếch đại 3.2 Khối lọc nhiễu tín hiệu Vì tín hiệu bị nhiễu nhiều ánh sánh bên tác động vào cảm biến nên cần lọc nhiễu cho tín hiệu sensor, đo kết xác Vì nhịp tim người dao động mức 60-12o nên tần số dao động mức 1-2hz nên sử dụng mạch lọc thông thấp để lọc nhiễu tín hiệu với tần số cắt là: = ∗ √ TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat 3.3 Khối khuyếch đại Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý khối khuếch đại Đây khối khuếch đại kèm theo lọc tín hiệu chiều:  Khối khếch đại gồm hai IC ghép nối tiếp nhau, IC có hệ số khuếch đại 101 lần Do tổng hệ số khuếch đại khối xấp xỉ 10000 lần  Mạch sử dụng lọc tín hiệu chiều (R4,C2) có tác dụng khử thành phần chiều trước đưa vào tầng khuếch đại IC khuếch đại chúng em sử dụng LM358 có số đặc tính thơng số sau: - Là IC có chân Hoạt động dải tần rộng Dải điện áp từ 3V-32V(nguồn đơn) từ ±5 V to ±1.6 V(nguồn đôi) Nhiệt độ hoạt động IC từ 0°C to 70°C 3.4 Khối vi xử lý Khối vi xử lí kết nối với khối khác hoạt động theo code lập trình.Sau lưu đồ thuật tốn: TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat Hình 3.3 Lưu đồ thuật tốn khối vi xử lí 3.5 Khối hiển thị Khối hiển thị sử dụng hình LCD 16x2, với chức hiển thị kết đo nhịp tim mà vi điều khiển tính tốn lên cho người dùng xem TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat 3.6 Khối nguồn Đây khối nguồn thiết kế từ cổng USB chuẩn mức điện áp 5V qua IC LM1117 để tạo nguồn Vcc = 3.5V cung cấp cho mạch TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat Chương IV Triển khai kết đạt Sau thiết kế chi tiết khối cho mạch, chúng em bắt đầu đo xác định giá trị tín hiệu đồng thời hiệu chỉnh kịp thời để khối thực chức đề 4.1 Đo hiệu chỉnh giá trị tín hiệu oscilloscope cho khối cảm biến Tín hiệu điện áp thu từ sensor lọc nhiễu khuếch đại lên ta điện tâm đồ hiển thị oscilloscope: Hình 4.1 Điện tâm đồ đo sensor TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat Giá trị tín hiệu đo đầu khối sensor: Tín hiệu Usensor(max) Usensor(min) Giá trị 0.016V 0.012V  Độ biến thiên điện áp đầu sensor mV nhỏ ta phải khuếch đại lên khử tín hiệu chiều đồng thời khử nhiễu lọc thông thấp TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat ... download : skknchat 123 @gmail.com moi nhat Chương Giới thiệu đề tài Tên đề tài Đề tài: Thiết kế mạch đo nhịp tim sử dụng cảm biến hồng ngoại đặt đầu ngón tay hiển thị hình LCD Yêu cầu sử dụng dịng vi... skknchat 123 @gmail.com moi nhat Chương II Phân tích yêu cầu lập kế hoạch 2. 1 Phân tích thiết kế mạch 2. 1.1 Sơ đồ phân cấp chức hệ thống Máy đo nhịp tim Nhận xét kết đo Lựa chọn chế độ đo Đo nhanh Đo. .. chức mạch  Đo nhịp tim  Hiển thị kết LCD từ đưa lời kết luận cho người sử dụng  Yêu cầu phi chức mạch  Kết đo xác, với độ lệch + - nhịp  Gọn nhẹ, thân thiện với người dùng, dễ dàng sử dụng