Thiết kế mô hình máy đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu

TỔNG QUAN

ĐẶT VẤN ĐỀ

Một tình trạng đang diễn ra phổ biến hiện nay là: hầu hết các vụ đột quỵ đều bị tai biến nặng hoặc xấu hơn có thể tử vong sau khi đến bệnh viện Để lý giải điều này các chuyên gia và nhà khoa học đầu ngành cho rằng nguyên nhân chủ yếu là do chậm trễ trong khi đợi xe cấp cứu Khách quan mà nói những người này có thể có tiền sử mắc các bệnh cao huyết áp, các bệnh tim mạch hay các bệnh nhận mới phẫu thuật đang theo dõi, người mắc bệnh truyền nhiễm Nguyên nhân chủ quan là do căng thẳng trong công việc hay cuộc sống dẫn đến stress ăn uống ngủ nghỉ không khoa học Đặc biệt nhất là đối với người cao tuổi nếu còn mắc phải với những lý do kể trên thì hậu quả rất nghiêm trọng Nếu như chứng ta không có các biện pháp cứu chữa kịp thời thì có thể dẫn tới những trường hơp xấu nhất là đột quỵ gây suất huyết máu não dẫn đến tử vong

Như vậy khổng nào không thấy được tầm quan trọng của việc theo dõi phát hiện sự thay đổi đột ngột của nhịp tim, SP02 từ đó chúng ta có thể nhận biết là cơ thể có bị bất thường hay không để nhân viên y tế hay người thân biết mà phòng ngừa ngăn chặn trường hợp xấu có thể xẫy ra

Sự cần thiết là điều chắc không thể chối cãi mới đây vào năm 2019 bùng nổ đại dịch covid 19 khiến bao nhiêu người phải thiệt mạng do đó các thiết bị di động đo các thông số sinh tồn mọi lúc mọi nơi, hay thiết bị theo dõi, cảnh báo tình trạng sức khoẻ người bệnh là điều tất yếu.

MỤC TIÊU

Thiết kế và thi công hệ thống đo nhịp tim và SPO2 hiển thị lên LCD và WEB

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Trong quá trình thực hiện Khóa luận tốt nghiệp với đề tài Thiết kế và thi công hệ thống đo nhịp tim và SPO2, nhóm chúng em đã tập trung giải quyết và hoàn thành được những nội dung sau:

- Nội dung 1: Nghiên cứu kết nối LCD với I2C

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 16

- Nội dung 2: Nghiên cứu kết nối LCD I2C với ESP8266

- Nội dung 3: Nghiên cứu kết nối cảm biến MAX30100 VỚI ESP8266

- Nội dung 4: Nghiên cứu xuất dự liệu từ ESP8266 lên WEB

- Nội dung 5: Tổng hợp code từng nghiên cứu

- Nội dung 7: Thi công phần cứng, chạy thử nghiệm trên hệ thống và hiệu chỉnh hệ thống

- Nội dung 8: Viết báo cáo đồ án tốt nghiệp

- Nội dung 9: Bảo vệ luận văn tốt nghiệp.

GIỚI HẠN

Các thông số được giới hạn của đề tài bao gồm:

- Sử dụng ESP nên tốc độ xử lý chậm

- Hoạt động trong phạm vi nhất định, cần nằm trong vùng có wifi

- Cần thời gian để thông số đọc ra ổn định.

BỐ CỤC ĐỀ TÀI

Trong bản báo cáo, nhóm nghiên cứu đã cố gắng trình bày một cách thật logic để người đọc có thể dễ dàng hiểu rõ được kiến thức, phương thức cũng như cách thức hoạt động của đề tài Bố cục của bản báo cáo được nhóm chia làm 6 chương như sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về đề tài, mục tiêu nghiên cứu, phạm vi và bố cục của đề tài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương này tập trung vào những lý thuyết liên quan đến đề tài bao gồm kiến thức về các linh kiện, thiết bị được sử dụng trong hệ thống như, thiết bị ngoại vi, mạch điều khiển, cũng như phần mềm và ngôn ngữ lập trình liên quan đến đề tài

Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống Chương này sẽ đi trình bày một cách chi tiết về mô hình của hệ thống bao gồm sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của hệ thống Tiếp đến là sẽ đi thiết kế hệ thống, nên chọn module nào để đạt hiệu quả cao nhất cũng như sơ đồ kết nối giữa các module

Chương 4: Thi công hệ thống Dựa trên thiết kế hệ thống, tiến hành thi công phần cứng và phần mềm cho hệ thống Từ đó đưa ra quy trình vận hành của hệ thống

Chương 5: Kiểm tra và đánh giá kết quả thực hiện được Chương này sẽ trình bày kết quả thực hiện được đồng thời đưa ra những nhật xét và đánh giá với lý thuyết đã trình bày

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của đề tài Chương này tóm lược lại những điều đã làm được và những hạn chế đồng thời đưa là những đánh giá cho hệ thống để từ đó có thể đưa ra những giải pháp cũng như hướng phát triển mới cho đề tài

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

TÍN HIỆU NHỊP TIM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHỊP TIM

Nhịp tim (Heart Rate – HR) là số lần tim co bóp trong một phút, được đo bằng đơn vị nhịp/phút hoặc bpm Nhịp tim có thể thay đổi theo nhu cầu hấp thụ Oxy và bài tiết CO2 cua cơ thể, Đối với người bình thường, nhịp tim sẽ bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như: đang vận động hay nghỉ ngơi, độ tuổi, tình trạng sức khoẻ, … Sự thay đổi của chỉ số HR có thể là dấu hiệu cho thấy một sự thay đổi của trạng thái tim, qua đó có thể phản ánh tình trạng sức khỏe cơ thể

Resting Heart Rate (RHR) là chỉ số nhịp tim khi cơ thể ở trạng thái nghỉ ngơi

Do đó tim không cần phải hoạt động nhiều để bơm máu đi khắp cơ thể RHR được đo chính xác nhất vào thời điểm vừa ngủ dậy sáng sớm, Ở trạng thái đang ngồi hoặc nằm Ở người lớn, nhịp tim bình thường khi nghỉ ngơi rơi vào khoảng 60-100 nhịp trên một phút Tuy nhiên theo nhiều chuyên gia tim mạch, nhịp tim lý tưởng ở người trưởng thành khỏe mạnh là từ 60 - 80 nhịp/phút Riêng trẻ em thì nhịp tim bình thường có thể cao và dao động nhiều hơn, đặc biệt là đối với các bé hiếu động Trường hợp trẻ vận động nhanh thì nhịp tim có thể lên đến 200 lần trên một phút vẫn được coi là bình thường Hay vận động viên chỉ số RHR của họ chỉ dưới 60 không đồng nghĩa với sự bất ổn trong cơ thể Ngoài ra, các yếu tố bên ngoài cũng gây ảnh hưởng đến HR

Thể trạng cơ thể: người có thân hình to lớn, mập mạp, thừa cân sẽ có nhịp tim nhanh hơn người bình thường

Hoạt động thể thao: khi cơ thể tập luyện, vận động thì nhịp tim sẽ tăng lên Nhịp tim sẽ trở lại bình thường khi bạn nghỉ ngơi, dưỡng sức

Cảm xúc: khi cơ thể trong trạng thái hồi hộp, căng thẳng, lo lắng hoặc vui mừng, bất ngờ một cách đột ngột, nhịp tim sẽ tăng nhanh chóng

Bệnh lý: nhịp tim rối loạn do ảnh hưởng của các bệnh như tăng huyết áp, bệnh tim mạch (hẹp hở van tim, suy tim, bệnh mạch vành), tiểu đường, các bệnh liên quan đến tuyến giáp (cường giáp), rối loạn điện giải, rối loạn thần kinh thực vật

- rối loạn thần kinh tim

Sử dụng thuốc: các loại thuốc như thuốc chẹn beta, thuốc điều trị tuyến giáp, có thể ảnh hưởng đến nhịp tim của bạn

Bảng 1 Resting Heart Rate for Men

Bảng 2 Resting Heart Rate for WoMen

Target Heart Rate (THR) là chỉ số nhịp tim mục tiêu cho biết chi số nhịp tim trong khi làm việc, tập thê dục, vận động cơ thể… Nó giúp đạt hiệu quả tối đa trong công việc hay cho mỗi lần tập thể dục, biết nhịp tim mục tiêu sẽ giúp chúng ta theo dõi sức khỏe và mức độ tập luyện sao cho hợp lý

Bảng 3 Chi số THR đối với trạng thái hoạt động cơ thể 2.1.2 Các quá trình điện học của tim

Hệ thống điện tim đóng vai trò là nguồn năng lượng chính giúp tâm thất và tâm nhĩ hoạt động xen kẽ và thư giãn cùng nhau để quá trình bơm máu qua tim xảy ra theo đúng chu trình

Bên cạnh đó, nhịp tim sẽ được kích hoạt bởi các xung điện truyền xuống một con đường đặc biệt xuyên qua tim Xung điện sẽ bắt đầu với một bó nhỏ của các tế bào chuyên biệt có tên là nút xoang (SA- nút trung tâm, nằm ở tâm nhĩ phải) Nút SA tựa như một chiếc máy tạo nhịp tim tự nhiên Tín hiệu điện điện ta xem là tín hiệu này (signal ECG)

Hình 2 1: Cấu tạo của tim

Các kênh ion đặc biệt trên màng tế bào cơ tim đóng vai trò là các con đường vận chuyển ion qua lại tạo ra hiện tượng khử cực và tái cực tế bào, hình thành nên điện thế

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 23 hoạt động của tế bào cơ tim Thời điểm bắt đầu điện thế hoạt động, tế bào cơ tim sẽ được khử cực từ điện thế tâm trương qua màng −90 mV lên tới điện thế −50 mV Tiếp đến, các kênh Natri nhanh sẽ bị bất hoạt sớm và ngăn dòng ion Natri đổ vào tế bào Thay vào đó, các kênh ion phụ thuộc thời gian và điện thế khác sẽ mở ra, đưa dòng ion Canxi xâm nhập vào tế bào để tiếp tục khử cực tế bào và đồng thời đưa dòng ion Kali ra khỏi tế bào (tái cực tế bào)

Hình 2 2: Điện THẾ HOẠT DỘNG CỦA TIM

Ban đầu, hai quá trình này được cân bằng, duy trì một điện thế hoạt động dương qua màng tế bào và kéo dài giai đoạn cao nguyên của điện thế hoạt động Trong pha này, ion canxi đi vào tế bào có nhiệm vụ kết nối điện học - cơ học để tạo nhát bóp cơ tim Cuối cùng, dòng ion Canxi đi vào tế bào ngừng lại và dòng ion Kali đi ra khỏi tế bào tăng lên, tạo ra quá trình tái cực nhanh của tế bào, làm điện thế qua màng trở lại −90 mV lúc nghỉ Ban đầu, trong thời kỳ trơ tuyệt đối của quá trình khử cực, các xung động ngoại lai không thể khử cực được tế bào cơ tim Sau khi tế bào cơ tim được tái cực một phần (thời kỳ trơ tương đối), các xung động ngoại lai có thể tác động gây khử cực tế bào nhưng quá trình khử cực này chậm

Có hai loại mô cơ tim chính phân loại theo cách đáp ứng điện học:

Mô hoạt hóa nhanh (tế bào cơ nhĩ, cơ thất và hệ thống His-Purkinje) có mật độ cao các kênh Natri nhanh

 Ít hoặc không có khử cực tự động trong giai đoạn tâm trương (và do đó nếu các mô này làm chủ nhịp thì tần số tim chậm)

 Tốc độ khử cực ban đầu rất nhanh (và do vậy vận tốc dẫn truyền xung động rất nhanh)

 Không có tính trơ trong thời gian tái cực (vì vậy thời kỳ trơ ngắn và có khả năng dẫn các xung động liên tiếp ở tần số cao)

Mô hoạt hóa chậm (nút xoang và nút nhĩ thất) có mật độ thấp các kênh Natri nhanh

 Khử cực tự động trong giai đoạn tâm trương nhanh hơn (và do đó tần số tim nhanh hơn nếu các mô này làm chủ nhịp)

 Tốc độ khởi phát khử cực chậm (và do đó vận tốc dẫn truyền chậm)

 Thời kỳ trơ kéo dài và do đó không thể dẫn các xung kích thích liên tiếp với tần số nhanh

Bình thường, nút xoang có tần số phát xung nhanh nhất (tần số khử cực tự động trong thời kỳ tâm trương nhanh nhất) Do vậy, nút xoang có khả năng hình thành điện thế hoạt động tự nhiên cho tim với tần số cao hơn các mô khác Vì thế, nút xoang là mô tự động chiếm ưu thế nhất và đóng vai trò chủ nhịp của tim người bình thường Nếu nút xoang không tạo xung động, mô có tính tự động cao nhất tiếp theo sẽ đóng vai trò chủ nhịp cho tim, thường là nút nhĩ thất Ngược lại, kích thích phó giao cảm sẽ làm giảm tần số phát xung của các mô này Có một dòng điện natri/kali vào bên trong, được gọi là "dòng điện vui vẻ", đi qua kênh cổng nucleotid vòng kích hoạt siêu phân cực (kênh HCN) trong các tế bào nút xoang, chiếm một phần lớn tính tự động của chúng Ức chế dòng điện này kéo dài thời gian cần thiết để đạt được sự khử cực tự phát của các tế bào tạo nhịp, và do đó làm giảm nhịp tim

2.1.3 Sự hình thành các dạng sóng của tim

Cơ tim và hệ thống nút có khả năng dẫn truyền xung động: tốc độ dẫn truyền ở nút xoang, bó His là 0,05m/s; cơ nhĩ thất và mạng purkinje là 1m/s, cơ tâm thất 4m/s Tính trơ:

Tính trơ là tính không đáp ứng với kích thích Nếu kích thích cơ tim giai đoạn đang co (tâm thu), dù kích thích mạnh trên ngưỡng thì cơ cũng không đáp ứng gọi là giai đoạn trơ tuyệt đối Nếu kích thích vào cuối thời kỳ tâm thu, lúc cơ tim đang giãn tim sẽ đáp ứng bằng co bóp phụ, gọi là ngoại tâm thu Sau đó tim nghỉ lâu hơn gọi là thời kỳ nghỉ bù Tính trơ có chu kỳ, vì lặp đi lặp lại Nhờ tính trơ mà cơ tim không co cứng khi có những khích thích liên tiếp Điện trường của tim

Cơ thể con người là một môi trường dẫn điện; vì thế, dòng điện do tim phát ra được dẫn truyền khắp cơ thể, ra tới da, biến cơ thể thành một điện trường của tim Nếu ta đặt hai điện cực lên bất cứ hai điểm nào đó có điện thế khác nhau của điện trường đó, ta sẽ thu được một dòng điện thể hiện hiệu thế giữa hai điểm đó và gọi là một chuyển đạo hay đạo trình (lead) Nó hiện ra trên máy ghi bằng một đường cong điện tâm đồ có một hình dạng nào đó tùy theo địa điểm đặt các điện cực Đường thẳng nối hai địa điểm đặt điện cực trên cơ thể gọi là trục chuyển đạo

2.1.4 Các phương pháp đo nhịp tim

Phương pháp oscillometry có quá trình đo được thực hiện trình tự: người ta dùng một bao chứa khí có gắn cảm biến áp suất, quấn quanh tay (nơi có động mạnh chạy qua) phải đo đúng tư thế cũ thể là tay phai được đặt ngang tim Đầu tiên người ta bơm bao khí cho căng để áp suất trong bao cao hơn huyết áp cao nhất (thường là 180 mmHg nếu là người già thì 200mmHg) Lúc này động mạnh bị bao khí đè nén cho nên máu không thể lưu thông Tiếp đến người ta xả khí trong bao từ từ ra Khi áp suất trong bao lớn hơn huyết áp cao nhất thì máu không thể lưu thông Chi khi áp suất trong bao cân bằng với

N ỒNG ĐỘ OXI TRONG MÁU

2.2.1 Sự cần thiết của Oxi trong máu

Oxy là một nguyên tố rất cần cho sự sống, có thể nói nếu thiếu Oxy thì mọi sinh vật không thể tồn tại được trên trái đất này Có thể khẳng định, vai trò của oxy với cơ thể người là rất quan trọng Oxy giúp quá trình chuyển hóa của máu, thông mạch, nhịp làm việc của tim Hay nói cách khác, là duy trì sự sống cho con người Để bảo vệ cơ thể, làm việc hiệu quả, chúng ta phải đảm bảo nhu cầu oxy cho cơ thể

Máu đối với cơ thể giống như chức năng vận chuyên như chất dinh dưỡng sau quá trình tiêu hóa, khí Oxy từ phôi đến cá mô, khí CO2 từ mô đến phổi…

2.2.2 Sự vận chuyển khí O2 của máu

Khoảng 97 % lượng oxy được vận chuyển từ phổi đến các mô được gắn với hemoglobin (haemoglobin là một Protein được kết lại trong hồng cầu) trong hồng cầu Còn lại 3 % được vận chuyển dưới dạng hoà tan trong huyết tương và các tế bào máu

Do đó, dưới điều kiện bình thường, gần như toàn bộ oxy được vận chuyển đến các mô bởi hemoglobin.

G IỚI THIỆU PHẦN CỨNG

Hiện nay Arduino ở Việt Nam được biết đến rất rộng rãi Từ học sinh trung học, sinh viên và người đi làm Những dự án nhỏ và lớn được thực hiện một cách rất nhanh và tối ưu Trên thị trường có rất nhiều phiên bản Arduino như Arduino Uno R3, Arduino Uno R3 CH340, Arduino Mega2560, Arduino Nano, Arduino Pro Mino, Arduino Lenadro, Arduino Industrial Trong đó có các đề tài cũng áp dụng và sử dụng Arduino để làm bộ xử lý trung tâm cho đề tài của họ, cụ thể là board Arduino Mega 2560, Arduino Uno R3 Cụ thể thì ở đề tài, tác giả đã sử dụng board Arduino Mega 2560 để kết nối giao tiếp với các module wifi, module cảm biến, điều khiển các thiết bị công

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 30 xuất Với sự tham khảo chọn lọc từ các yêu cầu của những đề tài trước nhóm lựa chọn board Arduino Mega 2560 bởi sự linh hoạt và giá thành phù hợp

Arduino là một board mạch vi xử lý dùng để lập trình xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Ưu điểm của Arduino là 8 ngôn ngữ cực kì dễ học (giống C/C++), các ngoại vi trên bo mạch đều đã được chuẩn hóa, nên không cần biết nhiều về điện tử chúng ta cũng có thể lập trình được Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit

Arduino Mega 2560 là board mạch vi điều khiển sử dụng chip xử lý Atmega 2560, hoạt động ở điện áp 5V Arduino Mega 2560 có thể được cấp nguồn bằng cổng USB hoặc bằng nguồn ngoài và việc chọn nguồn cấp được diễn ra hoàn toàn tự động Board có 54 chân vào/ra và 4 UART Thạch anh dao động 16MHz Về bộ nhớ Arduino Mega

2560 được trang bị chip Atmega 2560 đã tích hợp sẵn 256KB dung lượng bộ nhớ Flash, 8KB bộ nhớ SRAM và 4KB bộ nhớ EEPROM [2]

ESP8266 là dòng chip tích hợp Wi-Fi 2.4Ghz có thể lập trình được, rẻ tiền được sản xuất bởi một công ty bán dẫn Trung Quốc: Espressif Systems Được phát hành đầu tiên vào tháng 8 năm 2014, đóng gói đưa ra thị trường dạng module ESP-01, được sản xuất bởi bên thứ 3: AI-Thinker Có khả năng kết nối Internet qua mạng Wi-Fi một cách nhanh chóng và sử dụng rất ít linh kiện đi kèm Với giá cả có thể nói là rất rẻ so với tính năng và khả năng ESP8266 có thể làm được

ESP8266 có một cộng đồng các nhà phát triển trên thế giới rất lớn, cung cấp nhiều module lập trình mã nguồn mở giúp nhiều người có thể tiếp cận và xây dựng ứng dụng rất nhanh

Hiện nay tất cả các dòng chip ESP8266 trên thị trường đều mang nhãn ESP8266EX, là phiên bản nâng cấp của ESP8266

Hình 2 5: Sơ đồ chân chip ESP8266EX

❖ Thông số kỹ thuật của chip ESP8266EX:

• 32-bit RISC CPU: Tensilica Xtensa LX106 chạy ở xung nhịp 80 MHz

• Hổ trợ Flash ngoài từ 512KiB đến 4MiB

• 64KBytes RAM thực thi lệnh

• Chuẩn wifi EEE 802.11 b/g/n, Wi-Fi 2.4 GHz

• Tích hợp TR switch, balun, LNA, khuếch đại công suất và matching network

• Hổ trợ WEP, WPA/WPA2, Open network

• Tích hợp giao thức TCP/IP

• Hổ trợ nhiều loại anten

• Hỗ trợ SDIO 2.0, UART, SPI, I²C, PWM, I²S với DMA

• Dải nhiệt độ hoạt động rộng: -40C ~ 125C

❖ Lập trình ứng dụng với ESP8266 cho ta 2 lựa chọn:

• Sử dụng firmware được cung cấp bởi Espressif và giao tiếp thông qua tập lệnh AT commands

• Lập trình firmware trực tiếp vào ESP8266 sử dụng bộ thư viện SDK cung cấp bởi Espressif b Module wifi ESP8266 nodeMCU

Hình 2 6: Hình ảnh module wifi ESP8266 nodeMCU ngoài thực tế

ESP8266 NodeMCU là dạng vi điều khiển tích hợp Wifi (Wifi SoC) được phát triển bởi Espressif Systems Với vi điều khiển và Wifi tích hợp, ESP8266 cho phép lập trình viên có thể thực hiện vô số các tác vụ TCP/IP đơn giản để thực hiện vô số các ứng dụng khác nhau, đặc biệt là các ứng dụng IoT…

Các modem Wi-Fi hiện tại đều hỗ trợ chuẩn IEEE 802.11n và hoạt động ở tần số 2.4GHz ESP8226 nodeMCU là một trong những mô đun hỗ trợ chuẩn Wi-Fi này Được

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 33 phát triển trên chip Wi-Fi ESP8266, nodeMCU được dùng cho các ứng dụng kết nối, thu thập dữ liệu và điều khiển thông qua sóng Wi-Fi NodeMCU có kích thước nhỏ gọn, hỗ trợ chuẩn giao tiếp UART, hỗ trợ kết nối Wi-Fi với nhiều giao thức mạng

Hơn nữa bản thân NodeMCU là một phiên bản đặc biệt của dòng vi điều khiển Arduino nên nó có thể sử dụng trực tiếp trình biên dịch của Arduino để lập trình và nạp mã Sử dụng các mã nguồn mở thuận tiện cho việc lập trình và phù hợp với khả năng của sinh viên

MAX30100 là cảm biến đa năng được sử dụng cho nhiều ứng dụng Là cảm biến theo dõi nhịp tim và cũng là máy đo oxy Cảm biến có hai diode phát sáng, một cảm biến quang (photodetector) và các linh kiện xử lý tín hiệu để phát hiện nhịp tim và đo xung oxy

Cảm biến được tích hợp để đo được cả oxy trong máu và nhịp tim Kết hợp hai đèn LED, một bộ thu quang học và bộ xử lý tín hiệu để tính toán các giá trị oxy trong máu và nhịp tim Nó hoạt động từ nguồn điện 1,8V đến 3,3V và có thể được tắt nguồn thông qua phần mềm với dòng điện standby rất thấp Đặc điểm:

Dũng điện tiờu thụ ở chế độ chờ thấp (0.7àA) Đáp ứng ngõ ra nhanh

Thiết bị có hai đèn LED, một phát ra ánh sáng đỏ và một phát ra ánh sáng hồng ngoại Ánh sáng hồng ngoại dùng để đo nhịp tim Trong khi cả ánh sáng đỏ và ánh sáng hồng ngoại đều được sử dụng để đo nồng độ oxy trong máu

Khi tim bơm máu, lượng oxy trong máu tăng lên do có nhiều máu hơn Khi tim thư giãn, lượng oxy trong máu cũng giảm Bằng cách biết thời gian giữa sự tăng và giảm của oxy trong máu, nhịp tim được xác định

Thực tế, máu được oxy hóa sẽ hấp thụ nhiều ánh sáng hồng ngoại hơn và phản xạ nhiều ánh sáng đỏ hơn, ngược lại, máu đã khử oxy hấp thụ ánh sáng đỏ và phản xạ nhiều ánh sáng hồng ngoại hơn Đây là chức năng chính của MAX30100, nó đọc mức độ hấp thụ cho cả hai nguồn sáng và lưu trữ chúng trong một bộ đệm có thể đọc được thông qua giao thức I2C

2.3.3: Mạch chuyển đổi I2C cho LCD

Nguồn cung cấp

Nguồn cung cấp cho các mạch điện, module hay vi điều khiển chúng ta sử dụng thông thường dùng điện áp một chiều DC Việc cấp nguồn DC có thể thông qua nhiều cách như dùng PIN, nguồn cấp thông qua bộ Adapter, module chuyển đổi nguồn từ AC sang DC Nguồn sử dụng các bộ chuyển đổi AC sang DC sử dụng khá thông dụng

Nguồn điện một chiều là một trong những phần quan trọng nhất của một thiết bị điện Nó có nhiệm vụ biến đổi điện lưới 220V xoay chiều thành điện áp một chiều nhỏ hơn như 5V, 9V, 12V, 18V, 24V để nuôi các thiết bị điện tử Trong số đầu ra điện áp trên thì nguồn 5V và 12V là phổ biến hơn cả Đây là điện áp hoạt động chuẩn cho các IC logic, các IC vi xử lý trong đề tài môn học

Trong thiết kế mạch nguồn thì không thể thiếu tu ̣ lo ̣c, vì thường sẽ xuất hiê ̣n đô ̣ gợn sóng trong dòng điê ̣n, vì thế tu ̣ lo ̣c đóng vài trò lo ̣c nhiễu và ổn đi ̣nh dòng điê ̣n

Mạch ổn áp trên đơn giản hiệu quả nên được sử dụng rất rộng rãi và người ta đã sản xuất các loại IC dù ng trong viê ̣c ổn áp Trong trường hợp mạch ổn áp tạo ra nguồn điện áp khác nhau như điện áp 5V, 8V, 12V hay dòng điê ̣n ta ̣o ra là 1A, 3A… có thể dùng IC phù hợp

• LM7808 IC cho ổn áp 8V- 1A

Nguyên tắc hoạt động của nguồn xung khác với nguồn tuyến tính Đầu tiên, điện áp xoay chiều sẽ đi qua mạch lọc nhiễu tần số cao để loại bỏ nhiễu tần số cao do đường dây điện gây ra có thể làm chết cầu diode, sau đó sẽ chỉnh lưu cầu diode để biến nó thành điện áp một chiều,sau đó làm phẳng bằng tụ lọc sơ cấp (thường là tụ 220uF 450V) Điện áp sau khi chỉnh lưu sẽ có điện áp khoảng 300V (nếu điện áp xoay chiều đầu vào là 220V) hoặc 150V (nếu điện áp xoay chiều đầu vào là 110V), sau đó sẽ đi qua điện trở và biến áp xung Điện áp trên biến trở sẽ có điện áp rơi ngang qua nó để cấp nguồn cho chân Vcc của IC nguồn Sau một thời gian nhất định, điện áp nguồn Vcc của mạch tích hợp bộ nguồn sẽ được lấy từ mạch cấp nguồn phụ của máy biến áp xung Mạch cung cấp năng lượng phụ này bao gồm một diode và một điện trở giữ cho mạch cung cấp năng lượng tích hợp hoạt động

Khi IC nguồn hoạt động, nó ra lệnh cho Mosfet hoạt động ở chế độ đóng mở tạo ra từ trường ở phía sơ cấp, từ trường này sẽ tạo ra điện áp cảm ứng ở phía thứ cấp của biến áp xung Điện áp cảm ứng từ biến áp xung thứ cấp sẽ được chỉnh lưu thành điện một chiều và được làm phẳng bởi tụ lọc, tùy thuộc vào vôn đầu ra của mạch nguồn có nhiều diode và tụ điện Điện áp đầu ra thứ cấp sẽ được kết nối với mạch lấy mẫu và mạch phát hiện điện áp sự cố để điều khiển điện áp đầu ra Khi điện áp đầu ra tăng hoặc giảm sẽ có tín hiệu đưa về IC nguồn để IC nguồn điều khiển mosfet điều khiển điện áp đầu ra

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

GIỚI THIỆU

Đề tài “Thiết kế mô hình máy đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu” với mục tiêu giúp người dùng sử dụng để kiểm tra nhịp tim và nồng độ oxy trong máu, kiểm soát tình trạng sức khỏe và tránh được những trường hợp xấu đối với người dùng Ngôn ngữ lập trình bộ xử lý trung tâm ESP32, sử dụng các thư viện hỗ trợ mạnh về về việc tối ưu và xử lý tín hiệu Điều khiển các thiết bị ngoại vi hoạt động theo đúng chức năng yêu cầu như cảm biến MAX32100, LCD Đề tài chỉ xây dựng với mô hình nhỏ và gọn Thời gian và tốc độ xử lý còn chậm Yêu cầu đặt ra của đề tài gồm những yêu cầu sau:

 Thiết kế mô hình máy đo nhịp tim

 Thiết kế, tính toán dòng áp cung cấp cho các thiết bị của hệ thống hoạt động đúng yêu cầu

 Tìm hiểu sơ đồ chức năng chân của và ESP32 kết nối với các module

 Thiết kế giao diện WEB và kết nối, giao tiếp với ứng dụng Telegram

 Thiết kế mô hình hệ thống.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Sơ đồ khối của hệ thống

Khối nguồn: là nguồn cung cấp điện cho khối xử lý trung tâm, khối cảm biến (MAX30100), khối hiện thi ̣ (LCD, WEB)

Khối xử lý trung tâm: Đảm nhận nhiệm vụ xử lý chính, nhận tín hiệu từ khối cảm biến (MAX30100), sau đó xử lý tín hiệu, đưa ra kết luận rồi hiển thị khối hiển thi ̣ và thông báo tới khối cảnh báo nếu chỉ số nằm ngoài mức cho phép

Khối cảm biến: Có chức năng thu thập tín hiệu nhịp tim từ thực tế chuyển về tín hiệu điện và gửi dữ liệu cho Khối xử lý trung tâm

Khối cảnh báo: khối xử lý trung tâm sẽ gửi cảnh báo tới telegram khi chỉ số nằm ngoài mức cho phép

Khối hiển thị: nhận và gửi tín hiệu từ khối xử lý trung tâm, hiển thị thông tin chỉ số nhịp tim và SPO2 của người đo lên LCD và WEB

3.2.2 Tính toán và thiết kế b Khối xử lý trung tâm Ở nhiệm vụ xử lý chính, nhận tín hiệu hình ảnh từ khốicảm biến (Max30100), sau đó xử lý tín hiệu, đưa ra kết luận để điều khiển hiển thị khối hiển thi ̣… Vấn đề xử

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 49 lý ảnh cần khá nhiều nhiều tài nguyên cũng như tốc độ xử lý cao, đồng thời cần xử dụng vi điều khiển có thể kết nối WIFI, nên ta xem xét kỹ trước khi lựa chọn Hiện nay trên thị trường việt nam có rất nhiều loại board điều khiển khác nhau như: PIC, STM32, ATMEGA… Dựa vào khả năng hỗ trợ lập trình, tốc độ xử lý, số chân điều khiển cần kết nối, điều kiện kinh tế cho phép, nhóm chúng em đã sử dụng esp8266 làm khối xử lý trung tâm cho hệ thống ESP8266 với CPU có tốc độ xử lý cao và việc sử dụng vào mô hình là hợp lý Vi điều khiển ESP8266 hỗ trợ rất tốt việc giao tiếp các thiết bị ngoại vi và module từ bên ngoài

Hình 3 2: Vi điều khiển ESP8266

Phần mềm lập trình: Có khá nhiều trình biên dịch cho ESP8266 như Arduino IDE, eclipseArduino… Ở đây em sử dụng phần mềm Arduino IDE để lập trình cho board ESP8266

Nguồn cung cấp cho ESP8266 khá đa dạng, có thể dung Adapter, PIN hay cấp nguồn thông qua cổng USB từ sạc dự phòng, laptop

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 50 b) Khối cảm biến:

Khối cảm biến: Có chức năng thu thập tín hiệu nhịp tim từ thực tế chuyển về tín hiệu điện và gửi dữ liệu cho khối xử lý trung tâm

Khối cảm biến là một khối quan trọng cho dự án, vì nó là nguồn cung cấp các giá trị đầu vào Vì thế, việc lựa chọn cảm biến độ chính xác cao và giá thành hợp lý là cần thiết Với khả năng nghiên cứu và tìm hiểu, nhóm quyết định chọn cảm biến đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu MAX30100

MAX30100 là một giải pháp cảm biến đo nhịp tim và đo nhịp tim tích hợp Nó kết hợp hai đèn LED, bộ tách sóng quang, quang học được tối ưu hóa và xử lý tín hiệu tương tự nhiễu thấp để phát hiện tín hiệu oxy hóa nhịp tim và nhịp tim Cảm Biến Nhịp Tim Và Oxy Trong Máu MAX30100 hoạt động từ các bộ nguồn 1.8V và 3.3V và có thể được cấp nguồn thông qua phần mềm với dòng điện chờ không đáng kể, cho phép nguồn điện luôn được kết nối mọi lúc

 Nhỏ gọn 5,6mm x 2,8mm x 1,2mm được cải tiến về mặt quang học

 Hoạt động năng lượng thấp, tăng tuổi thọ pin cho các thiết bị đeo được

 Tốc độ mẫu có thể lập trình và dòng điện LED cho tiết kiệm điện

 Dòng tắt máy cực thấp (0,7μA, typ)

 Chức năng nâng cao cải thiện hiệu suất đo lường

 SNR cao cung cấp khả năng phục hồi chuyển động mạnh mẽ

 Tích hợp hủy ánh sáng xung quanh

 Khả năng tỷ lệ mẫu cao

 Khả năng xuất dữ liệu nhanh

 Giao tiếp: I2C, mức tín hiệu TTL

Hình 3.3: Sơ đồ mạch của Cảm Biến Nhịp Tim Và Oxy Trong Máu MAX30100

Hinh 3.4: Sơ đồ nối chân Esp8266 và max30100

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 53 c) Khối hiển thị:

Khối hiển thị: nhận và gửi tín hiệu từ khối xử lý trung tâm, hiển thị thông tin chỉ số nhịp tim và SPO2 của người đo lên LCD và WEB

LCD 16x2 một sản phẩm quen thuộc với người mới học và muốn thực hiện các dự án về điện tử, lập trình Sử dụng điện áp 5VDC, dòng từ 350uA - 600uA Khắc phục được nhược điểm kết nối cần đến 8 dây của các module led khác qua module I2C nên việc kết nối trở nên đơn giản với chỉ 4 dây giúp hạn chế rủi ro khi đặt LCD ở xa board mạch như trong mô hình của đề tài LCD 16x2 có khả năng hiển thị 2 hàng, mỗi hàng

16 kí tự, tương ứng với 2 hàng 16 cột đủ để hiện thị các thông tin cần thiết của mô hình đề tài Có độ bền cao

Với những yêu cầu hiển thị là: hiển thị dữ liệu được chọn, hiển thị trạng thái nhấn phím, LCD 16x2 có thể đáp ứng tốt cho các yêu cầu này và sử dụng LCD 16x2 để đồng bộ điện áp với ESP, cũng như tiết kiệm chi phí

Hình 3.5: Sơ đồ nối chân của LCD và I2C

Module I2C giúp giảm số chân sử dụng cho esp8266, đồng thời dễ kết nối và sử dụng Thông tin về nhịp tim và nồng độ oxy trong máu sẽ hiển thị trên lcd, đồng thời, thông qua kết nối wifi, dữ liệu sẽ được cập nhật và hiển thộng lên WEB server d) Khối nguồn:

- Dòng tiêu thụ trên module ESP8266 là 80mA

- Dòng tiêu thụ trên LCD 20x4 là 20mA

- Dòng tiêu thụ trên MAX 30100 là 10mA

Vậy dòng điện tiêu thụ trên mạch Master là ∑I = 80 + 20 +10 = 110 mA Điện áp cấp cho toàn mạch là 5V

Công suất mạch master là P= 5 x 110 x 10-3 = 0.55 W

Vì thế, nhóm quyết định dùng sạc dự phòng có sẵn với mức cung cấp nguồn 5V-1A

Nguồn từ sạc dự phòng sẽ cung cấp cho toàn mạch từ sạc dự phòng đến vi điều khiển ESP8266 Sau đó, từ vi điều khiển sẽ cung cấp nguồn cho các module còn lại

Hình 3.6: Cổng USB kết nối từ sạc dự phòng đến ESP8266

3.2.3: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch

Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch

THI CÔNG HỆ THỐNG

GIỚI THIỆU

Sau khi tính toán và thiết kế, chúng em tiến hành thi công mô máy đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu Mô hình bao gồm:

 1 cảm biến Max30100,1 module LCD I2C,1 ESP8266 để nạp chương trình đo tín và xem kết quả đo của tín hiệu nhịp tim và PS02

 1 bo mạch đồng 1 lớp dung để gắn linh kiện kết hợp đi dây giúp không phải rối đường dây và cố định linh kiện

THI CÔNG HỆ THỐNG

Bảng 7: Những linh kiện sử dụng trong hệ thống

TT Tên linh kiện Dạng vỏ Số lượng

4 Bảng đồng Nhựa,kim loại 1

4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra

Phần này sẽ kết nối, lắp ráp các linh kiện lại với nhau khi nhìn tổng thể thì chúng sẽ hình thành khối thống nhất cho mô hình

Mạch in được thiết kế để kết nối vi điều khiển esp8266, module LCD i2c và cảm biến MAX30100

Hình 4 1: Thiết kế mạch in

ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH

4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển

Hình 4 3: Đóng gói bộ điều khiển

Như hình, nguồn sẽ cấp từ laptop đến hệ thống thông qua cổng USB Phần mạch gồm vi điều khiển sẽ bị che khuất để tăng thẩm mỹ và an toàn về điện

Hình 4 4: Mô hình hệ thống

LẬP TRÌNH HỆ THỐNG

Hình 4 5: Lưu đồ chương trình chính

Ban đầu, thực hiện khai báo thư viện, khởi tạo các giá trị ban đầu, khai báo cấu hình kết sử dụng các servo, khai báo GPIO, hệ thống bắt đầu kết nối với wifi Khi vào vòng lặp, chương trình sẽ chờ thời gian hơn 500ms mới bắt đầu thực hiệ đọc giá trị nhịp tim và nồng độ oxy trong máu Sau đó, kết quả được xử lý và hiển thị lên lcd, đồng thời sẽ gửi kết quả đọc được lên web server để hiển thị Tiếp tục, chương trình sẽ kiểm tra sau thời gian chờ hơn 1500ms, kết quả có sự cập nhật hay không, nếu không thì kết quả nồng độ oxy trong máu và nhịp tim sẽ quay về 0, đồng thời cập nhật giá trị đó trên lcd và web server Cuối cùng kiểm tra chương trình kết thúc hay lặp lại vòng lặp (tiếp tục thực hiện các bước trên)

Chương trình con thể hiện quá trình hiển thị kết quả trên web server

TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC

Bước 1: Cấp nguồn cho mô hình

Bước 2: Đặt ngón tay lên cảm biến để cảm biến thu nhận dữ liệu về nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim

Hình 4 7: Ngón tay tiếp xúc với cảm biến Bước 3: Quan sát kết quả trên LCD

Hình 4 8: Gía trị đo trên LCD

Bước 4: Xem kết quả hiển thị trên web theo đường dẫn: 172.20.10.2 (điều kiện đảm bảo kết nối wifi cho ESP8266):

Hình 4 9: Gía trị đo trên WEB

KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

5.1.1 Giao diện hiển thị Để thuận tiện cho người dùng trong quá trình quan sát và điều khiển, nhóm sử dụng màn hình LCD I2C Trên giao diện, người dùng có thể dễ dàng quan sát nhip tim và nồng độ oxy trong máu

Hình 5 1: Giao diện màn hình LCD I2C

Ngoài ra, nhóm còn hiển thị thông tin lên web, người dùng có thể truy cập và quan sát dễ dàng truy điện thoại hay laptop và điều kiện đi cùng chắn chắc phải có wifi

Hình 5 2: Giao diện web cập nhật kết quả

5.1.2 Kết quả mô hình thực tế

Sau khi hoàn thành thi công, kết quả hệ thống được trình bày như sau:

Hình 5 3: Hình ảnh hoàn thiện của hệ thống

Bên trong hộp điều khiển của hệ thống bao gồm: Công USB, module

ESP8266 sẽ tiến hành xử lý và đưa ra kết luậnvề chỉ số nồng độ oxy trong máu và nhịp tim

Kết quả đọc ra sẽ hiển thị lên LCD I2C và Web, giúp người dùng có thể quan sát thể trạng hiện tại của mình cũng như việc người thân của họ cũng có thể nắm bắt được thông tin từ xe thông qua việc truy cập WEB server

Hình 5 4: Kết quả hiển thị trên lcd 5.1.4 Kết quả thống kê

Lần Đo Nhịp Tim SPO2

Bảng 8: Kết quả thống kê

Theo kết quả ta thấy, hệ thống hoạt động khá ổn định, chính xác và độ tin cậy cao

Dữ liệu có độ sai số nhỏ, dễ sử dụng

Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

 Đề tài: “Thiết kế mô hinh máy đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu” đã được hoàn thành với sự hướng dẫn tận tình của các bạn và thầy cô trong khoa và đặc biệt là Thầy Hà A Thồi

 Mô hình đo được nhịp tim và nồng độ oxy trong máu khá chính xác, nhằm tạo đà phát triển các SmartHealth Technologies thực tế mai sau, nâng cao chất lượng cuộc sống mạnh khoẻ

 Trong quá trình thực hiện đề tài này, em đã vận dụng được được những kiến thức đã học như vi xử lý, lập trình Web, vẽ và làm mạch trên proteus, để đưa vào thực tiện trong cuộc sống

Dựa vào những kiến thức tham khảo có sẵn cùng với suy nghĩ của mình Nhóm chúng em nghĩ đề tài này nên phát triển và mở rộng theo những khía cạnh sau:

Nâng cấp cảm biển và thêm phần lưu trữ rồi so sánh kết quả sau nhiều lần đo, đưa lên data base để cho bác sĩ hay người than có thể theo dõi để liên hệ cho lịch hẹn thăm khám nếu có bất thường

Mô hình có thể thiết kế nhỏ gọn hơn để kết hợp với các thiết bị khác rồi đưa vào cuộc sống như Smart watch…

[1] https://vjst.vn/vn/tin-tuc/3419/thiet-ke che-tao-thiet-bi-phat-hien-va-canh-bao- nga-cho-nguoi-cao-tuoi.aspx

[2] [3] [7] [8] [9] https://sites.google.com/hcmute.edu.vn/bmelib/DA- DTCN?authuser=0&fbclid=IwAR1sUPLYvTWuP3mnq8x3ck32gZlEOCU6H9tBQRl cOSk-ew5cTQkn2D-HsXM

[4] https://dientunhattung.com/product/module-sim800l-gsm-gprs-module-sim/

[5] https://dientu5ngay.com/san-pham/module-dinh-vi-gps-neo-6m-7n-apm2-5-tu- hoc-arduino/

[6] https://medlatec.vn/tin-tuc/chi-so-spo2-la-gi-co-y-nghia-nhu-the-nao-voi-benh- nhan-covid19-s64-n23901

Tiêu đề	Thiết Kế Mô Hình Máy Đo Nhịp Tim Và Nồng Độ Oxy Trong Máu
Tác giả	Nguyễn Đức Sỹ, Lý Trung Hậu
Người hướng dẫn	KS. Hà A Thồi
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Viễn Thông
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	72
Dung lượng	6,25 MB