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.
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Giới thiệu chung về nhịp tim
Nhịp tim là một trong những chỉ số sức khỏe quan trọng, bên cạnh huyết áp, nhiệt độ, nhịp thở và nồng độ oxy trong máu Khi bệnh nhân đến khám, bác sĩ thường kiểm tra nhịp tim và huyết áp đầu tiên, và trong suốt quá trình điều trị, các thông số này được theo dõi liên tục Mặc dù việc kiểm tra nhịp tim có vẻ đơn giản, nhưng nó đóng vai trò quan trọng trong chẩn đoán và điều trị, đặc biệt đối với bệnh nhân mắc bệnh tim mạch và bệnh nhân sau phẫu thuật.
Nhịp tim là một chỉ số quan trọng về sức khỏe tim mạch, nhưng không phải ai cũng hiểu rõ về nó Các chuyên gia y tế thường chú trọng đến nhịp tim trong quá trình kiểm tra sức khỏe và đánh giá hiệu quả điều trị Việc hiểu rõ nhịp tim cá nhân giúp mỗi người phát hiện những tín hiệu xấu về sức khỏe của mình.
Nhịp tim, được đo bằng số lần co thắt của tim trong một phút (bpm), phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tuổi tác, kích thước cơ thể, tình trạng sức khỏe, và hoạt động thể chất Cảm xúc như kích thích, sợ hãi, vui mừng hay lo lắng cũng có thể làm tăng nhịp tim Tuy nhiên, nhịp tim được duy trì ổn định nhờ sự phối hợp của hệ thần kinh trung ương, hệ thần kinh tim, hệ mạch và các chất trung gian hóa học, giúp cơ chế tim hoạt động hiệu quả.
Phân loại nhịp tim
Theo Hiệp hội Tim mạch Hoa Kỳ, nhịp tim bình thường của người trưởng thành dao động từ 60 đến 100 bpm khi nghỉ ngơi Tuy nhiên, trong khi ngủ, nhịp tim thường có xu hướng giảm xuống, có thể đạt khoảng 40 bpm.
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 nhịp/phút
• Nhịp tim trẻ từ 1 đến 12 tháng tuổi: 80 - 140 nhịp/phút
• Nhịp tim trẻ em từ 1 đến 2 tuổi: 80 - 130 nhịp/phút
• Nhịp tim trẻ từ 2 đến 6 tuổi: 75 - 120 nhịp/phút
• Nhịp tim trẻ em từ 7 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, 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
Tim đập nhanh thường chỉ gây ra những biến chứng nhẹ, nhưng đối với người mắc bệnh tim mạch, nhịp tim cao có thể dẫn đến các biến chứng nghiêm trọng như ngất, ngưng tim, đột quỵ và suy tim.
Nhịp tim của người trưởng thành được coi là thấp khi dưới 60 bpm trong trạng thái nghỉ ngơi Nhịp tim chậm có thể dẫn đến tình trạng não và các cơ quan không nhận đủ oxy, gây ra các triệu chứng như ngất xỉu, chóng mặt, mệt mỏi, khó thở, đau ngực, suy giảm trí nhớ, mất trí và nhanh mệt khi tham gia các hoạt động thể thao.
Các phương pháp đo nhịp tim hiện nay
1.3.1 Phương pháp thủ công Đo nhịp tim bằng nhấn ngón tay: Sử dụng măt trong của 2 ngón tay áp sát vào mặt trong của cổ tay bên kia - chỗ có những nếp gấp cổ tay (hai tay ngược nhau) Bấm nhẹ vào đó cho đến khi cảm thấy nhịp đập Nếu cần thiết, có thể di chuyển ngón tay xung quanh đó cho đến khi bạn cảm thấy nhịp đập Sau đó dùng đồng hồ để xác định số nhịp tim Hoặc đặt 2 ngón tay vào một bên cổ nơi giao nhau giữa khí quản và các cơ lớn ở cổ Bấm nhẹ cho đến khi bạn cảm thấy nhịp đập
Đo nhịp tim bằng ống nghe là một phương pháp thủ công đơn giản Để thực hiện, bạn cần đeo tai nghe và kiểm tra ống nghe, đặc biệt là vào mùa đông, hãy xoa ấm loa nghe trước khi sử dụng Đặt ống nghe lên các vị trí nghe tim trong khoảng 10 - 20 giây mỗi lần Cuối cùng, sử dụng đồng hồ để xác định số nhịp tim.
Hình 1.4 Các ổ van và vị trí nghe tương ứng
Nhận xét là phương pháp đo lường phổ biến, đơn giản và dễ thực hiện với chi phí thấp Tuy nhiên, độ chính xác của kết quả phụ thuộc vào người thực hiện, có thể xảy ra sai sót do sự khác biệt trong thời gian đếm giữa người đo và đồng hồ Phương pháp này cũng đòi hỏi nhiều thời gian và công sức để hoàn thành.
1.3.2 Điện tâm đồ (ECG, EKG) Điện tâm đồ, hay còn gọi là điện tim (Electrocardiogram, viết tắt ECG, EKG) là một xét nghiệm ghi lại hoạt động điện học của tim dưới dạng đồ thị Sử dụng các điện cực để đo nhịp tim trong một khoảng thời gian, dòng điện từ nguồn sẽ đi qua các điện cực vào cơ thể rồi phản hồi lại các thông tin nhịp tim
Nhận xét là phương pháp chính xác cao, thường được áp dụng tại bệnh viện và trung tâm khám sức khỏe, cho phép đo nhiều thông số cùng lúc Tuy nhiên, phương pháp này cũng có thể gây ra tác dụng phụ như dị ứng da do tiếp xúc với điện cực hoặc chất dán, dẫn đến cảm giác khó chịu cho người sử dụng.
Vì thiết bị hiện đại nên sai số trung bình của thiết bị đo là 1%
1.3.3 Phương pháp đo nhịp tim Oscillometric
Phương pháp đo nhịp tim này sử dụng một bao khí có gắn sensor, quấn quanh bắp tay ngang tim của người cần đo Đầu tiên, bao khí được bơm căng để tạo áp suất cao, chặn dòng máu trong động mạch Sau đó, áp suất trong bao khí được từ từ giảm cho đến khi nó cân bằng với áp suất máu trong động mạch, cho phép máu lưu thông Khi đó, áp suất trong bao khí sẽ thay đổi theo nhịp đập của tim Nhịp tim được xác định bằng cách đếm số chu kỳ này trong một khoảng thời gian nhất định và chia cho thời gian đếm.
Hình 1.6 Máy đo huyết áp, nhịp tim
Phương pháp đo nhịp tim Oscillometric có hạn chế do bao khí chặn dòng máu trong động mạch ở khuỷu tay, dẫn đến sự sai khác trong mạch đập của tim so với bình thường Mặc dù sai khác này có thể nhỏ, nhưng nó vẫn ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả đo nhịp tim.
1.3.4 Phương pháp đo quang thể tích (Photoplethysmogram)
Khi tim đập, máu được bơm qua động mạch, tạo ra sự thay đổi áp suất và lưu lượng máu Điều này cho phép đo nhịp tim thông qua sự biến đổi trong mức hấp thụ ánh sáng của động mạch 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 tăng lên Ngược lại, khi tim co lại, lượng máu tăng, làm giảm cường độ ánh sáng sau khi truyền qua Ánh sáng 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 phản ánh sự biến đổi cường độ ánh sáng tương ứng với sự thay đổi lượng máu lưu thông qua động mạch, và tín hiệu này đồng bộ với nhịp tim.
Hình 1.7 Đo bằng quang học
Thiết bị này nổi bật với độ chính xác cao, tính năng đơn giản và dễ sử dụng, cùng với thiết kế gọn nhẹ, mang lại sự thoải mái cho người dùng mà không gây khó chịu Thời gian đo nhanh chóng, tuy nhiên, các phương pháp quang học có thể gặp phải sai số lên đến 15%.
GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO, CẢM BIẾN NHỊP TIM VÀ LCD 16x2
Giới thiệu về vi điều khiển Arduino
Arduino được phát triển tại thị trấn Ivrea, Ý, và mang tên vua Arduin từ thế kỷ IX Ra mắt vào năm 2005, Arduino trở thành công cụ học tập cho sinh viên tại Viện thiết kế tương tác Ivrea, với giáo sư Massimo Banzi là một trong những nhà phát triển chính.
Hiện nay, nhiều loại vi điều khiển được lập trình bằng ngôn ngữ C/C++ hoặc Assembly, gây khó khăn cho những người có ít kiến thức về điện tử và lập trình Điều này trở thành rào cản cho những ai muốn tạo ra sản phẩm công nghệ riêng Để khắc phục vấn đề này, Arduino đã được phát triển nhằm đơn giản hóa thiết kế, lắp ráp linh kiện điện tử và lập trình trên vi xử lý, giúp người dùng dễ dàng tiếp cận thiết bị điện tử mà không cần nhiều kiến thức chuyên sâu Đặc biệt, với mức giá chỉ khoảng 200.000 đồng, người dùng có thể sở hữu một board Arduino với 20 ngõ I/O, cho phép tương tác và điều khiển nhiều thiết bị.
Hình 2.1 Vi điều khiển Arduino
Arduino hiện nay rất phổ biến tại Việt Nam, thu hút sự quan tâm của học sinh, sinh viên và người đi làm Nhiều dự án từ nhỏ đến lớn được thực hiện nhanh chóng, cùng với việc chia sẻ mã nguồn mở trên các diễn đàn trong và ngoài nước Điều này hỗ trợ đắc lực cho những ai đam mê nghiên cứu và chế tạo các sản phẩm hữu ích cho xã hội.
Sau đây là những thế mạnh của Arduino so với các nền tảng vi điều khiển khác:
Lập trình Arduino hỗ trợ đa nền tảng, cho phép người dùng phát triển trên các hệ điều hành như Windows, Mac OS, Linux trên máy tính để bàn, và Android trên thiết bị di động Ngôn ngữ lập trình của Arduino rất đơn giản và dễ hiểu, giúp người mới bắt đầu dễ dàng tiếp cận.
Arduino là một nền tảng mở, cho phép phần mềm chạy trên nó được chia sẻ và tích hợp dễ dàng vào nhiều nền tảng khác nhau.
• Mở rộng phần cứng: Arduino được thiết kế và sử dụng theo dạng module nên việc mở rộng phần cứng cũng dễ dàng hơn
• Đơn giản và nhanh: Rất dễ dàng lắp ráp, lập trình và sử dụng thiết bị
• Dễ dàng chia sẻ: Mọi người dễ dàng chia sẻ mã nguồn với nhau mà không lo lắng về ngôn ngữ hay hệ điều hành mình đang sử dụng
Arduino được sử dụng rộng rãi làm bộ não cho nhiều thiết bị, từ đơn giản đến phức tạp, nhờ khả năng thực hiện các nhiệm vụ phức tạp Một số ứng dụng nổi bật của Arduino bao gồm công nghệ in 3D, robot dò đường theo nguồn nhiệt, thiết bị nhấp nháy theo âm thanh, và làm bộ xử lý trung tâm cho nhiều loại robot khác nhau.
Phân loại Arduino
Hình 2.2 Hình ảnh một Arduino Uno
Arduino Uno là bo mạch vi điều khiển sử dụng chip Atmega328, với 14 chân vào ra tín hiệu số, trong đó 6 chân có khả năng điều chế độ rộng xung Nó tích hợp 6 chân đầu vào tín hiệu tương tự để kết nối với các bộ cảm biến, sử dụng dao động thạch anh 16MHz, cùng với cổng USB để nạp chương trình và chân cấp nguồn cho mạch Bo mạch còn có ICSP header và nút reset Chip Atmega328 cung cấp 32KB bộ nhớ flash (0,5KB dành cho bootloader), 2KB SRAM và 1KB EEPROM, mang lại hiệu suất cao cho các dự án Arduino.
Arduino Uno R3 là một nền tảng lập trình mạnh mẽ, cho phép phát triển các ứng dụng điều khiển phức tạp Với cấu hình nổi bật, nó hỗ trợ nhiều loại bộ nhớ như ROM, RAM và Flash, cùng với các cổng vào/ra digital I/O, trong đó nhiều cổng có khả năng xuất tín hiệu.
PWM và các ngõ đọc tín hiệu analog cùng với các chuẩn giao tiếp như UART, SPI và TWI (I2C) là những tính năng quan trọng của Arduino Uno Thiết bị này thường được sử dụng trong lập trình robot, điều khiển xe tự hành và bật tắt đèn LED.
Hình 2.3 Hình ảnh một Arduino Nano
Arduino Nano là một bảng vi điều khiển nhỏ gọn và dễ sử dụng, được trang bị vi điều khiển ATmega328P, tương tự như Arduino Uno Sự khác biệt chính giữa hai bảng này là Arduino Uno có dạng PDIP với 30 chân, trong khi Arduino Nano sử dụng dạng TQFP (thin quad flat pack).
Arduino Nano có 8 cổng ADC, trong khi Uno chỉ có 6 cổng Khác với các bo mạch Arduino khác, Nano không có giắc nguồn DC mà sử dụng cổng mini-USB cho cả lập trình và giám sát nối tiếp Một điểm nổi bật của Arduino Nano là khả năng tự động chọn công suất lớn nhất dựa trên hiệu điện thế của nó.
Arduino Mega 2560 là bo mạch vi điều khiển dựa trên chip Atmega2560, sở hữu 54 chân vào/ra số, trong đó có 15 chân PWM và 16 chân đầu vào tín hiệu tương tự Bo mạch này tích hợp RTC, bộ so sánh, timer và ngắt, giúp tiết kiệm điện năng và tăng tốc độ với xung thạch anh 16 MHz Ngoài ra, Arduino Mega 2560 hỗ trợ JTAG cho lập trình và gỡ lỗi, với bộ nhớ FLASH lớn và SRAM, cho phép xử lý các chương trình hệ thống phức tạp Nó tương thích với các loại bo mạch khác nhau, hỗ trợ tín hiệu mức cao (5V) và thấp (3.3V) Là phiên bản nâng cấp của Arduino Mega cũ, Arduino Mega 2560 là lựa chọn hàng đầu cho các dự án phức tạp hiện nay.
Trong khuôn khổ đồ án này, Arduino được sử dụng để thiết kế hệ thống đo nhịp tim là Arduino Uno R3.
Cấu trúc của Arduino Uno R3
2.3.1 Thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3
Vi điều khiển Atmega328P Điện áp hoạt động 5V Điện áp cấp (hoạt động tốt) 7 – 12 V
Chân I/O digital 14 (có 6 chân xuất xung PWM) Chân đầu vào analog 6 (A0 – A5)
Dòng điện mỗi chân I/O 20 mA
Bộ nhớ Flash 32 kB (Atmega328P) – trong đó 0.5 kB dùng cho bootloader
Tốc độ xung nhịp 16 MHz
Hình 2.5 Các khối cấu trúc
Bo mạch Uno có hai phương thức cấp nguồn chính: qua cổng USB và jack DC Điện áp cấp cho Uno nằm trong khoảng 6 – 20V, nhưng dải điện áp khuyên dùng là từ 7 – 12V, với 9V là lựa chọn tối ưu Nếu nguồn cấp dưới 7V, điện áp trên bo mạch sẽ không đủ để hoạt động ổn định.
‘chân 5V’ có thể thấp hơn 5V và mạch có thể hoạt động không ổn định; nếu nguồn cấp lớn hơn 12V có thể gấy nóng bo mạch hoặc phá hỏng
Các chân nguồn trên Uno:
• Vin: Cấp nguồn ngoài cho kit Khi kết nối, tiến hành nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND
• 5V: Đầu ra điện áp 5V Các bạn phải lưu ý là dòng tối đa cho phép cấp ở pin này là 0.5A
• 3.3V: Đầu ra điện áp 3.3V Dòng tối đa cho phép cấp ở pin này là 0.05A
GND (Ground) là chân đất cung cấp nguồn điện cho kit Khi sử dụng các ứng dụng với nguồn điện riêng hoặc nhiều nguồn khác nhau, cần phải kết nối các chân GND lại với nhau để đảm bảo hoạt động ổn định.
IOREF là điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO, cho phép bạn sử dụng đồng hồ đo để kiểm tra Khi thực hiện phép đo, bạn sẽ thấy điện áp luôn duy trì ở mức 5V.
Tuy nhiên ko được lấy nguồn từ pin này cấp đi chỗ khác, vì đơn giản chức năng của nó không phải là cấp nguồn
Chân reset được kết nối với nút bấm, cho phép bạn reset vi điều khiển bằng cách nhấn nút Reset Nguyên lý hoạt động là chân RESET sẽ được nối với Ground thông qua một điện trở 10KΩ.
Các chân digital (chân số 2 – 13) trên Arduino được sử dụng để nhập và xuất tín hiệu số thông qua các hàm pinMode(), digitalWrite() và digitalRead() Chân này hoạt động với điện áp 5V và dòng điện tối đa là 20mA trong chế độ bình thường.
Hai chân Serial trên Arduino Uno bao gồm chân 1 (TX) để truyền dữ liệu và chân 0 (RX) để nhận dữ liệu TTL Serial Chúng cho phép Arduino giao tiếp với các thiết bị khác, nhưng nên tránh sử dụng nếu không cần thiết.
Chân PWM (3, 5, 6, 9, 10 và 11) cho phép băm xung PWM với độ phân giải 8bit, cho giá trị từ 0 đến 255 tương ứng với điện áp từ 0V đến 5V thông qua hàm analogWrite() Ứng dụng này rất hữu ích vì nó cho phép thay đổi điện áp ra ở các chân này, thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như các chân khác.
Chân giao tiếp SPI bao gồm 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), và 13 (SCK) Ngoài các chức năng thông thường, bốn chân này còn hỗ trợ truyền phát dữ liệu qua giao thức SPI với các thiết bị khác.
Trên board Arduino UNO, có một đèn LED màu cam (ký hiệu L) được kết nối với chân số 13 Đèn LED này sẽ nhấp nháy khi bạn nhấn nút reset, và chức năng chính của nó là để báo hiệu.
• Analog In: 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit
Để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V đến 5V, bạn sử dụng hàm analogRead() Bạn có thể kết nối điện áp tham chiếu vào chân AREF trên board khi sử dụng các chân analog Cụ thể, nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân AREF, bạn có thể đo điện áp từ 0V đến 2.5V với độ phân giải 10bit.
• Giao tiếp I2C: 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác.
Giới thiệu về cảm biến nhịp tim (Pulse Sensor)
• Đường kính cảm biến: 1.6 cm (0.625 inch)
Mạch cảm biến được thiết kế với tụ lọc 10uF, đèn LED xanh lá cây và điện trở 470, trong đó diode cung cấp nguồn và bảo vệ phân cực ngược cũng như quá độ Sau diode, công suất được phân phối cho op-amp MCP6001 và IC cảm biến APDS-9008 Do biên độ đầu ra của IC cảm biến thấp và có nhiễu, cần sử dụng bộ lọc thông thấp RC để làm sạch tín hiệu trước khi khuếch đại bằng op-amp, từ đó cho phép vi điều khiển xử lý dữ liệu hiệu quả.
Khi áp chặt mặt cảm biến vào da, như ở tai hoặc đầu ngón tay, ánh sáng từ đầu phát sẽ chiếu vào da và khuếch tán xung quanh Lượng ánh sáng phản hồi tới quang trở gần đầu phát sẽ thay đổi tùy thuộc vào lượng máu trong khu vực cảm biến Cụ thể, khi tim không đập, máu dồn ra xung quanh, dẫn đến ánh sáng từ đầu phát về đầu thu nhiều hơn so với khi máu chảy qua khu vực cảm biến khi tim đập.
Sự thay đổi nhỏ trong cảm nhận ánh sáng (quang trở) thường được khuếch đại bởi mạch IC, sau đó tín hiệu này được đưa vào các mạch lọc, đếm hoặc mạch ADC để tính toán nhịp tim Kết quả đầu ra là tín hiệu analog, dao động theo nhịp đập của tim.
LCD 16x2
• Điện áp hoạt động ổn định: 2.7-5.5V
• Điện áp ra mức cao: > 2.4V
• Điện áp ra mức thấp: < 0.4V
• Dũng điện cấp nguồn: 350àA – 600àA
2.5.2 Chức năng của từng chân LCD 16x2
Hình 2.7 Sơ đồ chân LCD 1602 (Xanh Lá)
• Chân số 1 - VSS : chân nối đất cho LCD được nối với GND của mạch điều khiển
• Chân số 2 - VDD : chân cấp nguồn cho LCD, được nối với VCC=5V của mạch điều khiển
• Chân số 3 – V0 : điều chỉnh độ tương phản của LCD
• Chân số 4 - RS : chân chọn thanh ghi, được nối với logic "0" hoặc logic
- Logic “0”: Bus D0 - D7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế độ
“ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” - read)
- Logic “1”: Bus D0 - D7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD
• Chân số 5 - RW : chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write), được nối với logic “0” để ghi hoặc nối với logic “1” đọc
Chân số 6 - E (Enable) là chân cho phép các lệnh được chấp nhận sau khi tín hiệu được đặt lên bus D0-D7 Các lệnh chỉ được thực hiện khi có một xung cho phép từ chân này.
- Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào thanh ghi bên trong khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E
Khi ở chế độ đọc, dữ liệu từ LCD sẽ được xuất ra các chân D0-D7 khi phát hiện cạnh lên (chuyển từ thấp sang cao) tại chân E, và dữ liệu này sẽ được giữ lại trên bus cho đến khi chân E trở về mức thấp.
Chân số 7 đến 14, tương ứng với D0 đến D7, là 8 đường bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với bộ vi điều khiển Có hai chế độ sử dụng cho 8 đường bus này: chế độ 8bit, trong đó dữ liệu được truyền trên cả 8 đường với bit MSB là D7, và chế độ 4bit, khi dữ liệu được truyền trên 4 đường từ D4 đến D7, với bit MSB cũng là D7.
• Chân số 15 - A: nguồn dương cho đèn nền
• Chân số 16 - K: nguồn âm cho đèn nền
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT THỰC
Thiết kế hệ thống đo nhịp tim
Một giải thuật đã được phát triển dựa trên lý thuyết để đo nhịp tim bằng phương pháp quang thể tích, sử dụng cảm biến gắn trên đầu ngón tay.
Hệ thống đo nhịp tim sử dụng cảm biến gắn trên đầu ngón tay, hiển thị các thông số như Nhịp Tim (BPM), Khoảng Thời Gian Giữa Các Nhịp (IBI) và Tần Suất Nhịp Tim (Hz).
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống
Hình 3.2 Lưu đồ thuật toán
Hệ thống đo nhịp tim được thiết kế dựa trên sơ đồ khối và lưu đồ thuật toán, sử dụng cảm biến gắn trên ngón tay để thu thập dữ liệu Sơ đồ kết nối của hệ thống được trình bày rõ ràng, đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong việc đo nhịp tim.
Hình 3.3 Arduino Uno, LCD 16x2 và Pulse Sensor
Hình 3.4 Hệ thống đo nhịp tim sử dụng Arduino khi hoàn thành
Mô phỏng lấy số liệu từ phần mềm Arduino IDE
Hình 3.5 Xung tín hiệu nhịp tim thu được
Khảo sát thực nghiệm
Hệ thống đo được thiết kế và thử nghiệm so với thiết bị đo Omron, với 10 phép đo ngẫu nhiên thực hiện trên đối tượng trong trạng thái nghỉ Dữ liệu thu được đã được lưu vào bảng dưới đây.
Hệ thống thiết kế Thiết bị Omron
Đánh giá kết quả của hệ thống
Sản phẩm của chúng tôi đáp ứng tiêu chí thân thiện với môi trường và an toàn cho người sử dụng, mang lại sự thoải mái và dễ dàng trong việc sử dụng với chỉ vài thao tác đơn giản Nó tiêu tốn ít năng lượng, có độ tin cậy cao và chi phí hợp lý, phù hợp với nhu cầu của mọi người.
Qua thử nghiệm thực tế cho thấy thiết bị dễ sử dụng và đạt được các yêu cầu như sau:
+ Dễ dàng sử dụng chỉ với vài thao tác đơn giản
+ Nhanh chóng cho ra kết quả
+ Có độ chính xác cao và sai số nhỏ
+ Nhiều thông số liên quan cho ta cái nhìn trực quan hơn
Ngoài ra hệ thống còn có một nhược điểm nhỏ là thiết bị còn to và cồng kềnh, vẫn có sai số không đáng kể.