MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 4 1.1 Giới thiệu chung về nhịp tim 4 1.2 Phân loại nhịp tim 5 1.2.1 Nhịp tim bình thường 5 1.2.2 Nhịp tim cao 5 1.2.3 Nhịp tim thấp 6 1.3 Các phương pháp đo nhịp tim hiện nay 7 1.3.1 Phương pháp thủ công 7 1.3.2 Điện tâm đồ (ECG, EKG) 8 1.3.3 Phương pháp đo nhịp tim Oscillometric 9 1.3.4 Phương pháp đo quang thể tích (Photoplethysmogram) 10 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO, CẢM BIẾN NHỊP TIM VÀ LCD 16x2 12 2.1. Giới thiệu về vi điều khiển Arduino 12 2.2. Phân loại Arduino 14 2.2.1. Arduino Uno 14 2.2.2. Arduino Nano 15 2.2.3. Arduino Mega 2560 16 2.3. Cấu trúc của Arduino Uno R3 16 2.3.1. Thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3 16 2.3.2. Cấu trúc chi tiết 18 2.4. Giới thiệu về cảm biến nhịp tim (Pulse Sensor) 20 2.4.1. Thông số kỹ thuật 20 2.4.2. Cấu tạo 20 2.4.3. Nguyên lý hoạt động: 21 2.5. LCD 16x2 21 2.5.1 Thông số kỹ thuật 21 2.5.2 Chức năng của từng chân LCD 16x2 22 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM 24 3.1 Thiết kế hệ thống đo nhịp tim 24 3.2. Mô phỏng lấy số liệu từ phần mềm Arduino IDE 26 3.3 Khảo sát thực nghiệm 26 3.4 Đánh giá kết quả của hệ thống 27 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 28 4.1 Kết luận 28 4.2 Hướng phát triển của đề tài 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO 29 PHỤ LỤC 30 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu chung về nhịp tim Cùng với các thông số như: huyết áp, nhiệt độ, nhịp thở, nồng độ oxy trong máu... nhịp tim của con người là thông số quan trọng khác biểu diễn tình trạng sức khỏe của con người và được xem là một trong những dấu hiệu sinh tồn quan trọng nhất của cơ thể. Khi một bệnh nhân đến khám bệnh thì công việc đầu tiên của bác sỹ thường là kiểm tra nhịp tim, huyết áp bệnh nhân và trong suốt quá trình điều trị thông số này cũng thường xuyên được thu thập, kiểm tra. Công việc tưởng chừng như rất đơn giản nhưng trên thực tế lại có ý nghĩa trong công tác chuẩn đoán và điều trị cho bệnh nhân, đặc biệt là với những bệnh tim mạch và bệnh nhân hậu phẫu. Nhịp tim con số tưởng chừng rất quen thuộc nhưng không phải ai cũng hiểu rõ, nhất là khi nó là thông số hàng đầu về sức khỏe tim mạch. Các chuyên gia y tế thường quan tâm đến nhịp tim khi kiểm tra sức khỏe hay đánh giá hiệu quả của việc điều trị nói chung và mỗi người chúng ta cũng rất cần hiểu rõ nhịp tim mình để phát hiện những tín hiệu xấu. Nhịp tim là nhịp đập của tim, được xác định bằng số lần co thắt của tim trong thời gian một phút. Đơn vị của nhịp tim ký hiệu là nhịpphút hoặc bpm (beat per minute nhịp mỗi phút). Nó phụ thuộc vào từng cá nhân, tuổi tác, kích thước cơ thể, đang mắc bệnh hay ở trạng thái ngồi yên hoặc di chuyển, sử dụng thuốc hay không, thậm chí nhiệt độ không khí cũng ảnh hưởng tới nhịp tim. Một yếu tố gắn liền với chúng ta hàng ngày và có tác động đến nhịp tim một cách rõ ràng, dễ nhận biết chính là cảm xúc: khi bị kích thích hay sợ hãi, vui mừng hay lo lắng đều có thể làm tăng nhịp tim. Nhưng tất cả các yếu tố trên đều được dung hòa để đưa nhịp tim ổn định nhờ sự phối hợp nhịp nhàng của hệ thần kinh trung ương, hệ thần kinh tim, hệ mạch và các chất trung gian hóa học để làm cho cơ chế tim hoạt động hiệu quả trở lại. 1.2 Phân loại nhịp tim 1.2.1 Nhịp tim bình thường Theo Hiệp hội Tim mạch Hoa Kỳ, nhịp tim bình thường của người trưởng thành là khoảng 60 – 100 bpm lúc nghỉ ngơi. Tuy nhiên, khi ngủ, nhịp tim của con người thường có xu hướng chậm đi. Nếu nhịp tim khi ngủ ở khoảng 40 đến 50 bpm thì vẫn được coi là bình thường. Theo Cơ quan y tế quốc gia tại Anh, chỉ số nhịp tim lý tưởng cho từng độ tuổi như sau: • Nhịp tim trẻ sơ sinh: 120 160 nhịpphút • Nhịp tim trẻ từ 1 đến 12 tháng tuổi: 80 140 nhịpphút • Nhịp tim trẻ em từ 1 đến 2 tuổi: 80 130 nhịpphút • Nhịp tim trẻ từ 2 đến 6 tuổi: 75 120 nhịpphút • Nhịp tim trẻ em từ 7 đến 12 tuổi: 75 110 nhịpphút • Nhịp tim người từ 18 tuổi trở lên: 60 100 nhịpphút • Nhịp tim vận động viên: 40 60 nhịpphút 1.2.2 Nhịp tim cao Ở người trưởng thành, nếu nhịp tim trên 100bpm lúc nghỉ ngơi sẽ bị coi là nhịp tim cao (hay nhịp tim nhanh). Nhịp tim cao có nguy hiểm hay không phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chẳng hạn như nguyên nhân khiến tim đập nhanh, tần suất, tiền sử bệnh lý… Ví dụ, nếu nhịp tim bạn tăng nhanh trong vài giây, không thường xuyên hoặc do những nguyên nhân như lo lắng, căng thẳng, vừa tập thể dục, thể thao xong… thì hầu như vô hại. Ngược lại, nếu bạn có tiền sử bệnh tim, tim thường xuyên đập nhanh, mức độ ngày càng nghiêm trọng thì đó có thể là biểu hiện của một bệnh lý nào đó. Trong trường hợp này, bạn cần thăm khám bác sĩ để sớm phát hiện và điều trị bệnh kịp thời.
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trường Điện – Điện tử ĐỒ ÁN I Thiết kế hệ thống đo điện tâm đồ (đo nhịp tim) sử dụng vi điều khiển Arduino NGUYỄN HUY HIỆU Hieu.nh202118@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật Điện Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thanh Sơn Khoa: Thiết bị Điện – Điện tử Trường: Điện – Điện tử HÀ NỘI, 8/2023 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu chung nhịp tim 1.2 Phân loại nhịp tim 1.2.1 Nhịp tim bình thường 1.2.2 Nhịp tim cao 1.2.3 Nhịp tim thấp 1.3 Các phương pháp đo nhịp tim 1.3.1 Phương pháp thủ công 1.3.2 Điện tâm đồ (ECG, EKG) 1.3.3 Phương pháp đo nhịp tim Oscillometric 1.3.4 Phương pháp đo quang thể tích (Photoplethysmogram) 10 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO, CẢM BIẾN NHỊP TIM VÀ LCD 16x2 12 2.1 Giới thiệu vi điều khiển Arduino 12 2.2 Phân loại Arduino 14 2.2.1 Arduino Uno 14 2.2.2 Arduino Nano 15 2.2.3 Arduino Mega 2560 16 2.3 Cấu trúc Arduino Uno R3 16 2.3.1 Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3 16 2.3.2 Cấu trúc chi tiết 18 2.4 Giới thiệu cảm biến nhịp tim (Pulse Sensor) 20 2.4.1 Thông số kỹ thuật 20 2.4.2 Cấu tạo 20 2.4.3 Nguyên lý hoạt động: 21 2.5 LCD 16x2 21 2.5.1 Thông số kỹ thuật 21 2.5.2 Chức chân LCD 16x2 22 CHƯƠNG THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM 24 3.1 Thiết kế hệ thống đo nhịp tim 24 3.2 Mô lấy số liệu từ phần mềm Arduino IDE 26 3.3 Khảo sát thực nghiệm 26 3.4 Đánh giá kết hệ thống 27 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 28 4.1 Kết luận 28 4.2 Hướng phát triển đề tài 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO 29 PHỤ LỤC 30 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu chung nhịp tim Cùng với thông số như: huyết áp, nhiệt độ, nhịp thở, nồng độ oxy máu nhịp tim người thông số quan trọng khác biểu diễn tình trạng sức khỏe người xem dấu hiệu sinh tồn quan trọng thể Khi bệnh nhân đến khám bệnh cơng việc bác sỹ thường kiểm tra nhịp tim, huyết áp bệnh nhân suốt q trình điều trị thơng số thường xuyên thu thập, kiểm tra Công việc tưởng chừng đơn giản thực tế lại có ý nghĩa cơng tác chuẩn đoán điều trị cho bệnh nhân, đặc biệt với bệnh tim mạch bệnh nhân hậu phẫu Nhịp tim - số tưởng chừng quen thuộc hiểu rõ, thơng số hàng đầu sức khỏe tim mạch Các chuyên gia y tế thường quan tâm đến nhịp tim kiểm tra sức khỏe hay đánh giá hiệu việc điều trị nói chung người cần hiểu rõ nhịp tim để phát tín hiệu xấu Nhịp tim nhịp đập tim, xác định số lần co thắt tim thời gian phút Đơn vị nhịp tim ký hiệu nhịp/phút bpm (beat per minute - nhịp phút) Nó phụ thuộc vào cá nhân, tuổi tác, kích thước thể, mắc bệnh hay trạng thái ngồi yên di chuyển, sử dụng thuốc hay khơng, chí nhiệt độ khơng khí ảnh hưởng tới nhịp tim Một yếu tố gắn liền với hàng ngày có tác động đến nhịp tim cách rõ ràng, dễ nhận biết cảm xúc: bị kích thích hay sợ hãi, vui mừng hay lo lắng làm tăng nhịp tim Nhưng tất yếu tố dung hòa để đưa nhịp tim ổn định nhờ phối hợp nhịp nhàng hệ thần kinh trung ương, hệ thần kinh tim, hệ mạch chất trung gian hóa học để làm cho chế tim hoạt động hiệu trở lại 1.2 Phân loại nhịp tim 1.2.1 Nhịp tim bình thường Theo Hiệp hội Tim mạch Hoa Kỳ, nhịp tim bình thường người trưởng thành khoảng 60 – 100 bpm lúc nghỉ ngơi Tuy nhiên, ngủ, nhịp tim người thường có xu hướng chậm Nếu nhịp tim ngủ khoảng 40 đến 50 bpm coi bình thường Theo Cơ quan y tế quốc gia Anh, số nhịp tim lý tưởng cho độ tuổi sau: • Nhịp tim trẻ sơ sinh: 120 - 160 nhịp/phút • Nhịp tim trẻ từ đến 12 tháng tuổi: 80 - 140 nhịp/phút • Nhịp tim trẻ em từ đến tuổi: 80 - 130 nhịp/phút • Nhịp tim trẻ từ đến tuổi: 75 - 120 nhịp/phút • Nhịp tim trẻ em từ đến 12 tuổi: 75 - 110 nhịp/phút • Nhịp tim người từ 18 tuổi trở lên: 60 - 100 nhịp/phút • Nhịp tim vận động viên: 40 - 60 nhịp/phút 1.2.2 Nhịp tim cao Ở người trưởng thành, nhịp tim 100bpm lúc nghỉ ngơi bị coi nhịp tim cao (hay nhịp tim nhanh) Nhịp tim cao có nguy hiểm hay không phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chẳng hạn nguyên nhân khiến tim đập nhanh, tần suất, tiền sử bệnh lý… Ví dụ, nhịp tim bạn tăng nhanh vài giây, không thường xuyên nguyên nhân lo lắng, căng thẳng, vừa tập thể dục, thể thao xong… vơ hại Ngược lại, bạn có tiền sử bệnh tim, tim thường xuyên đập nhanh, mức độ ngày nghiêm trọng biểu bệnh lý Trong trường hợp này, bạn cần thăm khám bác sĩ để sớm phát điều trị bệnh kịp thời Hình 1.1 Nhịp tim nhanh Thơng thường, tim đập nhanh gây vài biến chứng nhẹ Tuy nhiên, với người mắc bệnh tim mạch, nhịp tim cao dẫn đến biến chứng nặng nề ngất, ngưng tim, đột quỵ, suy tim… 1.2.3 Nhịp tim thấp Nhịp tim người trưởng thành bị coi thấp 60bpm lúc nghỉ ngơi Nếu nhịp tim bạn thường xuyên bị chậm khiến não quan khác không nhận đủ oxy gây số triệu chứng ngất gần ngất, chóng mặt, mệt mỏi, khó thở, đau ngực, suy giảm trí nhớ, trí, nhanh mệt tham gia hoạt động thể thao… Hình 1.2 Nhịp tim chậm 1.3 Các phương pháp đo nhịp tim 1.3.1 Phương pháp thủ công Đo nhịp tim nhấn ngón tay: Sử dụng măt ngón tay áp sát vào mặt cổ tay bên - chỗ có nếp gấp cổ tay (hai tay ngược nhau) Bấm nhẹ vào cảm thấy nhịp đập Nếu cần thiết, di chuyển ngón tay xung quanh bạn cảm thấy nhịp đập Sau dùng đồng hồ để xác định số nhịp tim Hoặc đặt ngón tay vào bên cổ nơi giao khí quản lớn cổ Bấm nhẹ bạn cảm thấy nhịp đập Hình 1.3 Cách đo thủ công tay Đo nhịp tim dùng ống nghe: đeo tai nghe kiểm tra ống nghe, mùa đông cần xoa làm ấm loa nghe trước nghe Đặt ống nghe lên vị trí nghe tim, lần đặt ống nghe 10 -20 giây Sau dùng đồng hồ để xác định số nhịp tim Hình 1.4 Các ổ van vị trí nghe tương ứng Nhận xét: phương pháp phổ biến, đơn giản, dễ đo Chi phí đo khơng đáng kể Kết đo có độ xác phụ thuộc vào người đo, có sai sót chênh lệch thời gian đếm người đo đồng hồ đếm thời gian Tốn nhiều thời gian, công sức để đo 1.3.2 Điện tâm đồ (ECG, EKG) Điện tâm đồ, hay gọi điện tim (Electrocardiogram, viết tắt ECG, EKG) xét nghiệm ghi lại hoạt động điện học tim dạng đồ thị Sử dụng điện cực để đo nhịp tim khoảng thời gian, dòng điện từ nguồn qua điện cực vào thể phản hồi lại thông tin nhịp tim Hình 1.5 Đo điện tim Nhận xét: phương pháp có độ xác cao, sử dụng nhiều bệnh viện, trung tâm khám sức khỏe, đo nhiều thông số khoảng thời gian Nhưng gây tác dụng phụ dị ứng da tiếp xúc dòng điện cực hay chất để dán cố định, gây cảm giác khó chịu Vì thiết bị đại nên sai số trung bình thiết bị đo 1% 1.3.3 Phương pháp đo nhịp tim Oscillometric Phương pháp sử dụng bao khí có gắn sensor đo, quấn quanh bắp tay người cần đo, bắp tay nơi quấn bao khí phải đặt ngang tim Trước tiên bao khí bơm căng lên để áp suất bao cao Lúc động mạch bao khí chẹn lại, máu không chảy động mạch chỗ bị quấn bao khí Tiếp theo người ta từ từ xã khí bao Đến áp suất bao cân với áp suất máu động mạch mạch máu lưu thơng lúc áp suất bao khí bắt đầu thay đổi theo nhịp đập tim Với phương pháp nhịp tim tính xác định cách đếm số chu kì khoảng thời gian định sau chia cho khoảng thời gian đếm Hình 1.6 Máy đo huyết áp, nhịp tim Hạn chế phương pháp đo nhịp tim Oscillometric: Bao khí chặn nghẽn dịng máu động mạch nơi khuỷu tay lại nên mạch đập tim nhận bị sai khác so với bình thường Sai khác nhỏ nhiều ảnh hưởng tới độ xác kết đo nhịp tim 1.3.4 Phương pháp đo quang thể tích (Photoplethysmogram) Khi tim đập, máu dồn khắp thể qua động mạch, tạo thay đổi áp suất thành động mạch lượng máu chảy qua động mạch Vì ta đo nhịp tim cách đo thay đổi Khi lượng máu thành động mạch thay đổi làm thay đổi mức hấp thụ ánh sáng động mạch, tia sáng truyền qua động mạch cường độ ánh sáng sau truyền qua biến thiên đồng với nhịp tim Khi nhịp tim giãn ra, lượng máu qua động mạch nhỏ nên hấp thụ ánh sáng, ánh sáng sau truyền qua động mạch có cường độ lớn, ngược lại tim co vào, lượng máu qua động mạch lớn hơn, ánh sáng sau truyền qua động mạch có cường độ nhỏ Ánh sáng sau truyền qua ngón tay gồm hai thành phần AC DC + Thành phần DC đặc trưng cho cường độ ánh sáng cố định truyền qua mô, xương tĩnh mạch 2.2.3 Arduino Mega 2560 Hình 2.4 Hình ảnh Arduino Mega 2560 Arduino Mega 2560 bo mạch vi điều khiển xây dựng dựa chip Atmega2560 Có cấu trúc 54 chân vào/ra số có 15 chân sử dụng để điều chế độ rộng xung, có 16 chân đầu vào tín hiệu tương tự Arduino Mega 2560 có sẵn RTC tính khác so sánh, timer, ngắt để điều khiển hoạt động, tiết kiệm điện tốc độ nhanh với xung thạch anh16 Mhz Các tính khác bao gồm hỗ trợ JTAG để lập trình, gỡ lỗi xử lý cố Với nhớ FLASH lớn SRAM, bo xử lý chương trình hệ thống lớn cách dễ dàng Nó tương thích với loại bo mạch khác tín hiệu mức cao (5V) tín hiệu mức thấp (3.3V) với chân nạp I/O Arduino Mega 2560 thay Arduino Mega cũ Nó Arduino lớn nhất, tốt nhất, đắt thường sử dụng cho dự án phức tạp Trong khuôn khổ đồ án này, Arduino sử dụng để thiết kế hệ thống đo nhịp tim Arduino Uno R3 2.3 Cấu trúc Arduino Uno R3 2.3.1 Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3 Vi điều khiển Atmega328P Điện áp hoạt động 5V Điện áp cấp (hoạt động tốt) – 12 V Chân I/O digital 14 (có chân xuất xung PWM) Chân đầu vào analog (A0 – A5) Dòng điện chân I/O 20 mA Dòng điện chân 3.3V 50 mA Bộ nhớ Flash 32 kB (Atmega328P) – 0.5 kB dùng cho bootloader SRAM kB (Atmega328P) EEPROM kB (Atmega328P) Tốc độ xung nhịp 16 MHz Kích thước 68.6 x 53.4 mm Trọng lượng 25 g 2.3.2 Cấu trúc chi tiết Hình 2.5 Các khối cấu trúc 2.3.2.1 Khối nguồn Có hai cách cấp nguồn cho bo mạch Uno: cổng USB jack DC Giới hạn điện áp cấp cho Uno – 20V Tuy nhiên, dải điện áp khuyên dùng – 12 V (tốt 9V) Lý nguồn cấp 7V điện áp ‘chân 5V’ thấp 5V mạch hoạt động khơng ổn định; nguồn cấp lớn 12V gấy nóng bo mạch phá hỏng Các chân nguồn Uno: • Vin: Cấp nguồn ngồi cho kit Khi kết nối, tiến hành nối cực dương nguồn với chân cực âm nguồn với chân GND • 5V: Đầu điện áp 5V Các bạn phải lưu ý dòng tối đa cho phép cấp pin 0.5A • 3.3V: Đầu điện áp 3.3V Dòng tối đa cho phép cấp pin 0.05A • GND (Ground): Đất nguồn điện cấp cho kit Khi bạn dùng ứng dụng sử dụng nguồn điện riêng nhiều nguồn phải nối chân GND với • IOREF: Điện áp hoạt động vi điều khiển Arduino UNO Bạn dùng đồng hồ đo pin Khi đo bạn thấy ln 5V Tuy nhiên ko lấy nguồn từ pin cấp chỗ khác, đơn giản chức khơng phải cấp nguồn • RESET: Chân reset nối với nút bấm Khi bạn nhấn nút Reset, kit reset vi điều khiển Nguyên lý chân RESET nối với Ground qua điện trở 10KΩ 2.3.2.2 Các cổng vào/ra Các chân digital (chân số – 13) sử dụng làm chân nhập, xuất tín hiệu số thơng qua hàm chính: pinMode(), digitalWrite(), digitalRead() Điện áp hoạt động 5V, dòng điện qua chân chế độ bình thường 20mA • chân Serial: (TX) (RX): dùng để nhận (receive – RX) gửi (transmit – TX) liệu TTL Serial Arduino Uno giao tiếp với thiết bị khác thông qua chân Bạn không nên sử dụng chân khơng cần thiết • Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, 11: cho phép bạn băm xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ →28 -1 tương ứng với 0V → 5V) hàm analogWrite() Đây ứng dụng hay, bạn thay đổi điện áp chân từ mức 0V đến 5V thay cố định mức 0V 5V chân khác • Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài chức thơng thường, chân cịn dùng để truyền phát liệu giao thức SPI với thiết bị khác • LED 13: board Arduino UNO có đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Bạn thấy đèn nhấp nháy nhấn nút reset Cơng dụng để báo hiệu Nó nối với chân số 13 • Analog In: chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210 - 1) để đọc giá trị điện áp khoảng 0V → 5V, sử dụng hàm analogRead() Bạn để đưa vào chân AREF board điện áp tham chiếu sử dụng chân analog Nói cách khác, bạn cấp điện áp 2.5V vào chân bạn đo điện áp khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải 10bit • Giao tiếp I2C: chân A4 (SDA) A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với thiết bị khác 2.4 Giới thiệu cảm biến nhịp tim (Pulse Sensor) 2.4.1 Thông số kỹ thuật • Nguồn: 3~5 VDC • Dịng tiêu thụ: < 4mA • Ngõ ra: Analog • Đường kính cảm biến: 1.6 cm (0.625 inch) • Độ dày: 0.125 inch 2.4.2 Cấu tạo Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý cảm biến Phần quan trọng mạch tụ lọc 10uF, đèn LED xanh điện trở 470 Ngồi mạch, bạn thấy mạch cấp nguồn thông qua diode Diode phục vụ hai mục đích: bảo vệ phân cực ngược thứ hai bảo vệ mạch khỏi độ Sau diode, công suất phân phối op-amp MCP6001 IC cảm biến điốt quang APDS-9008 Biên độ đầu IC cảm biến thấp nhiễu Đó lý cần lọc thơng qua bộ lọc thơng thấp RC, sau tín hiệu làm khuếch đại op-amp xử lý liệu vi điều khiển 2.4.3 Nguyên lý hoạt động: Khi áp chặt mặt cảm biến vào da, nơi có mạch máu chảy (thường áp vào tai, đầu ngón tay… để dễ kẹp) Đầu phát phát ánh sáng vào da Dịng ánh sáng bị khuếch tán xung quanh, phần tới quang trở gần đầu phát Do bị ép vào nên lượng máu phần cảm biến thay đổi, cụ thể khơng có áp lực tim đập, máu dồn xung quanh, lượng ánh sáng từ đầu phát đầu thu nhiều so với tim đập, máu chảy qua nơi có cảm biến vào Sự thay đổi nhỏ, nên phần cảm nhận ánh sáng (quang trở) thường có mạch IC để khuếch đại tín hiệu thay đổi này, đưa mạch lọc, đếm mạch ADC để tính tốn nhịp tim Tín hiệu đầu tín hiệu analog, dao động theo mạch đập nhịp tim 2.5 LCD 16x2 2.5.1 Thông số kỹ thuật • Điện áp MAX: 7V • Điện áp MIN: -0,3V • Điện áp hoạt động ổn định: 2.7-5.5V • Điện áp mức cao: > 2.4V • Điện áp mức thấp: < 0.4V • Dịng điện cấp ngun: 350àA 600àA ã Nhit hot ng: -30 – 75℃ 2.5.2 Chức chân LCD 16x2 Hình 2.7 Sơ đồ chân LCD 1602 (Xanh Lá) • Chân số - VSS : chân nối đất cho LCD nối với GND mạch điều khiển • Chân số - VDD : chân cấp nguồn cho LCD, nối với VCC=5V mạch điều khiển • Chân số – V0 : điều chỉnh độ tương phản LCD • Chân số - RS : chân chọn ghi, nối với logic "0" logic "1": - Logic “0”: Bus D0 - D7 nối với ghi lệnh IR LCD (ở chế độ “ghi” - write) nối với đếm địa LCD (ở chế độ “đọc” read) - Logic “1”: Bus D0 - D7 nối với ghi liệu DR bên LCD • Chân số - RW : chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write), nối với logic “0” để ghi nối với logic “1” đọc • Chân số - E : chân cho phép (Enable) Sau tín hiệu đặt lên bus D0-D7, lệnh chấp nhận có xung cho phép chân sau: - Ở chế độ ghi: Dữ liệu bus LCD chuyển vào ghi bên phát xung (high-to-low transition) tín hiệu chân E - Ở chế độ đọc: Dữ liệu LCD xuất D0-D7 phát cạnh lên (low-to-high transition) chân E LCD giữ bus đến chân E xuống mức thấp • Chân số đến 14 - D0 đến D7: đường bus liệu dùng để trao đổi thông tin với vi điều khiển Có chế độ sử dụng đường bus là: Chế độ 8bit (dữ liệu truyền đường, với bit MSB bit D7) Chế độ 4bit (dữ liệu truyền đường từ D4 tới D7, bit MSB D7) • Chân số 15 - A: nguồn dương cho đèn • Chân số 16 - K: nguồn âm cho đèn CHƯƠNG THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM 3.1 Thiết kế hệ thống đo nhịp tim Trên sở lý thuyết, giải thuật xây dựng nhằm giải việc đo nhịp tim phương pháp quang thể tích, tức đo nhịp tim đầu đo cảm biến gắn đầu ngón tay Hệ thống xác định nhịp tim đầu đo cảm biến gắn đầu ngón tay, đồng thời thị thông số đo nhịp tim Beats Per Minute (BPM), Interbeat Intervals (IBI), Heart Rate Frequency (Hz)… Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống Hình 3.2 Lưu đồ thuật tốn Dựa sơ đồ khối, lưu đồ thuật tốn chương trình điều khiển thiết kế hệ thống đo nhịp tim đầu đo cảm biến gắn ngón tay Hệ thống kết nối theo sơ đồ Hình 3.3 Arduino Uno, LCD 16x2 Pulse Sensor Hình 3.4 Hệ thống đo nhịp tim sử dụng Arduino hồn thành 3.2 Mơ lấy số liệu từ phần mềm Arduino IDE Hình 3.5 Xung tín hiệu nhịp tim thu 3.3 Khảo sát thực nghiệm Tiến hành thử nghiệm: Hệ thống đo thiết kế so với thiết bị đo Omron Tiến hành 10 phép đo ngẫu nhiên với đối tượng đo trạng thái nghỉ Dữ liệu thi lưu vào bảng sau: Hệ thống thiết kế Lần Lần Thiết bị Omron Lần Lần Người thứ 65 68 68 71 Người thứ 80 77 82 80 Người thứ 82 84 84 85 Người thứ 73 72 77 74 Người thứ 78 76 81 79 Người thứ 70 74 69 71 Người thứ 78 79 80 83 Người thứ 63 68 66 69 Người thứ 90 85 93 91 Người thứ 10 70 66 67 65 Bảng 3.1 Bảng khảo sát 3.4 Đánh giá kết hệ thống Sản phẩm làm đạt tiêu chí thân thiệt với môi trường người sử dụng, tạo cho họ thỏa mái, dễ sử dụng với vài thao tác đơn giản, tốn lượng độ tin cậy cao, chi phí thấp phù hợp với người Qua thử nghiệm thực tế cho thấy thiết bị dễ sử dụng đạt yêu cầu sau: + Dễ dàng sử dụng với vài thao tác đơn giản + Nhanh chóng cho kết + Có độ xác cao sai số nhỏ + Nhiều thông số liên quan cho ta nhìn trực quan Ngồi hệ thống cịn có nhược điểm nhỏ thiết bị cịn to cồng kềnh, có sai số khơng đáng kể CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 4.1 Kết luận Đề tài tạo mơ hình máy đo nhịp tim máu Hệ thống đo thiết kế nhỏ gọn, đơn giản, giá thành thấp, dễ dàng lắp ráp tháo dỡ Độ ổn định cao, độ xác tin cậy so với phương pháp đo nhịp tim truyền thống Oscillometric, giao diện trực quan, dễ dàng mở rộng tùy biến ứng dụng khác dễ dàng Thông qua đo đạc số đối tượng khác kết chung đối tượng phù hợp với quy định nhịp tim Đây thực đề tài hay đầy ý nghĩa Nó mang lại cho em trải nghiệm vơ lý thú Qua đó, giúp em khơng vận dụng kiến thức học từ nhà trường vào thực nghiệm mà rèn luyện kĩ cần thiết khác học tập xa công việc sau Kết đạt phải nhắc đến hướng dẫn nhiệt tình thầy Nguyễn Thanh Sơn Cuối cùng, dù cố gắng không tránh khỏi sai sót, em mong nhận lời đánh giá nhận xét quý báu từ thầy để em tiến 4.2 Hướng phát triển đề tài Đề tài phát triển thêm thu gọn lại kích thước sản phẩm (sử dụng vi điều khiển nhỏ hơn) đảm bảo tiêu chuẩn tiêu thụ nguồn thấp, tích hợp ADC, DAC Khi kết hợp với kỹ thuật bố trí chống nhiễu tốt mơ hình chế tạo nhỏ gọn nhiều Với việc ứng dụng vi xử lý, phát triển đồ án cách đa hiển thị điện thoại thông minh, Websever qua mạng để bác sỹ người nhà bệnh nhân theo dõi cách tiện lợi TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phùng Trung Nghĩa, Nguyễn Sỹ Hiệp, “Thiết kế thiết bị theo dõi nhịp tim cầm tay ứng dụng cho việc theo dõi sức khỏe tim mạch vận động”, Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN, 2020 [2] Đồn Mạnh Cường, “Nghiên cứu thiết kế hệ thống theo dõi nhịp tim Arduino uno Processing”, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2016 [3] Nguyễn Sỹ Hiệp, “Thiết kế hệ thống đo nhịp tim”, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2016 [4] Website: https://circuitdigest.com/microcontroller-projects/interfacing-pulsesensor-with-arduino [5] Website: https://pulsesensor.com/pages/pulse-sensor-amped-arduino-v1dot1 [6] Website Arduino: https://www.arduino.cc/ PHỤ LỤC Chương trình nạp cho Arduino Uno #define USE_ARDUINO_INTERRUPTS true #include #include int Threshold = 512; PulseSensorPlayground pulseSensor; LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2); int Signal; int N = 1500; void setup() { Serial.begin(9600); pulseSensor.analogInput(A0); pulseSensor.blinkOnPulse(10); pulseSensor.setThreshold(Threshold); pulseSensor.begin(); lcd.begin(16, 2); lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("Welcome!!!"); } void loop() { int myBPM = pulseSensor.getBeatsPerMinute(); if (pulseSensor.sawStartOfBeat()){ lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("Heart Rate:"); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print(myBPM); Serial.println(myBPM); if (myBPM < 100){ lcd.setCursor(2, 1); lcd.print("(BPM) "); }else{ lcd.setCursor(3, 1); lcd.print("(BPM) "); } } delay(10); }