Nghiên cứu và thiết kế thiết bị đo điện tim, điện cơ và nồng độ oxy trong máu giám sát trên điện thoại dùng Android và Internet

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TIM, ĐIỆN CƠ VÀ NỒNG ĐỘ OXY TRONG MÁU GIÁM SÁT TRÊN ĐIỆN THOẠI DÙNG ANDROID VÀ INTERNET GVHD: TRƯƠNG NGỌC ANH SVTH: LÂM NHỰT TÂN MSSV: 12141200 SVTH: HỒ QUỐC HIẾU MSSV: 12141538 SKL 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 08/2016 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ- CÔNG NGHIỆP - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ THẾT BỊ ĐO ĐIỆN TIM, ĐIỆN CƠ VÀ NỒNG ĐỘ OXY TRONG MÁU GIÁM SÁT TRÊN ĐIỆN THOẠI DÙNG ANDROID VÀ INTERNET GVHD: Th.S Trƣơng Ngọc Anh SVTH: Lâm Nhựt Tân MSSV: 12141200 SVTH: Hồ Quốc Hiếu MSSV: 12141538 Tp Hồ Chí Minh – 08/2016 LỜI CAM ĐOAN Chúng – Lâm Nhựt Tân Hồ Quốc Hiếu cam đoan ĐATN cơng trình nghiên cứu thân dƣới hƣớng dẫn giảng viên hƣớng dẫn thạc sỹ Trƣơng Ngọc Anh Các kết công bố ĐATN trung thực khơng chép từ cơng trình khác BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, lời nhóm thực đề tài xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo Khoa Điện – Điện Tử, trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Qua bốn năm học tập nghiên cứu trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, thầy, cô truyền đạt kiến thức kinh nghiệm quý báu, tạo điều kiện thuận lợi cho nhóm suốt q trình nghiên cứu, thực đề tài Nhóm thực đề tài xin chân thành cảm ơn Thầy Trƣơng Ngọc Anh tận tình hƣớng dẫn truyền đạt kinh nghiệm quý báu suốt trình nghiên cứu, thực đề tài Ngồi ra, nhóm xin gửi lời cảm ơn đến bạn đồng môn Các bạn góp ý giới thiệu thêm nhiều nguồn tài liệu tham khảo có giá trị trình nghiên cứu Cuối cùng, nhóm thực xin chân thành cảm ơn gia đình, ngƣời thân bạn bè tạo điều kiện tốt động viên nhóm hồn thành đề tài Nhóm thực đề tài xin chân thành cảm ơn! BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP ii TÓM TẮT Thời gian gần đây, để đáp ứng nhu cầu nâng cao chất lƣợng sống ngƣời mà khoa học kỹ thuật có bƣớc phát triển mạnh mẽ, đặc biệt lĩnh vực điện tử công nghệ thông tin làm nên nhiều thay đổi tích cực đời sống ngƣời Các chip vi xử lý đƣợc thiết kế ngày nhỏ gọn nhƣng tiêu thụ điện thấp đƣợc ứng dụng nhiều nhiều thiết bị điện tử Một thiết bị điện tử gần gũi với ngƣời điện thoại thông minh (Smartphone), với điện thoại thơng minh bạn giải trí, làm việc tìm hiểu thơng tin Nhờ vào phát triển công nghệ mà điện thoại thông minh ngày đƣợc tích hợp nhiều chức với giá thành thấp Một nhu cầu tạo sản phẩm kiểm tra sức khỏe nhà mà không cần phải đến bệnh viện hay địa điểm thăm khám sức khỏe khác Nhận thấy tiềm phát triển nhu cầu trên, đặc biệt việc kết hợp sử dụng điện thoại thông minh để giám sát sức khỏe cá nhân, nhóm em định thực đề tài: “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo điện tim, điện nồng độ oxy máu giám sát điện thoại dùng Android Internet” Đây hội cho nhóm nghiên cứu việc truyền liệu qua thiết bị thông minh nhờ cáp USB OTG (USB On-The-Go), đồng thời tìm hiểu hệ điều hành Android (hệ điều hành phổ biến giới điện thoại thơng minh nay) Từ tạo sản phẩm giám sát sức khỏe cá nhân điện thoại thông minh kết hợp với việc truyền liệu lên Internet Mặc dù nhóm thực cố gắng để hồn thành đề tài nhƣng chắn không tránh khỏi thiếu sót, mong Q Thầy/Cơ bạn sinh viên đóng góp ý kiến để nhóm thực hoàn thiện đề tài tạo sản phẩm tốt Mọi ý kiến đóng góp xin gửi email: nhuttanlam@gmail.com Nhóm thực đề tài Lâm Nhựt Tân – Hồ Quốc Hiếu BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii MỤC LỤC iv DANH SÁCH HÌNH vi DANH SÁCH BẢNG ix Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 MỤC TIÊU 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.4 GIỚI HẠN 1.5 BỐ CỤC Chƣơng CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 LÝ THUYẾT ĐIỆN TÂM ĐỒ, ĐIỆN CƠ ĐỒ VÀ ĐỘ BÃO HÒA OXY TRONG MÁU 2.1.1 Điện tâm đồ (ECG) 2.1.2 Điện (EMG) 2.1.3 Độ bão hòa oxy máu (SpO2) 2.2 HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID 10 2.2.1 Khái niệm 10 2.2.2 Lịch sử hệ điều hành Android 10 2.2.3 DELVING với máy ảo DALVIK 11 2.2.4 Kiến trúc hệ điều hành Android 12 2.2.5 Chu kỳ ứng dụng Android 14 2.3 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP 16 2.3.1 Giao tiếp UART 16 2.3.2 Chuẩn giao tiếp I2C 19 2.3.3 USB OTG (USB ON-THE-GO) 22 Chƣơng TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 24 3.1 GIỚI THIỆU 24 3.2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 24 3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống 24 BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP iv 3.2.2 Tính toán thiết kế mạch 25 3.2.3 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 39 Chƣơng THI CÔNG HỆ THỐNG 41 4.1 GIỚI THIỆU 41 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 41 4.2.1 Thi công bo mạch 41 4.2.2 Lắp ráp kiểm tra 42 4.3 ĐĨNG GĨI VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH 43 4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 45 4.4.1 4.5 Lƣu đồ giải thuật 45 VIẾT TÀI LIỆU HƢỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC 70 4.5.1 Viết tài liệu hƣớng dẫn sử dụng 70 4.5.2 Quy trình thao tác 77 Chƣơng KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 78 5.1 KẾT QUẢ 78 5.2 NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ 82 Chƣơng KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 84 6.1 KẾT LUẬN 84 6.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 PHỤ LỤC 87 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP v DANH SÁCH HÌNH Hình Trang Hình 2.1 Qng PR quãng QT Hình 2.2 Sơ đồ tim Hình 2.3 Sơ đồ mắc chuyển đạo Điện cực đặt chân phải dây nối đất để tránh ảnh hƣởng nhiễu Hình 2.4 Đo điện bên Hình 2.5 Đo điện bên Hình 2.6 Quang phổ hấp thụ HbO2 HbO Hình 2.7 Vị trí đặt nguồn sáng cảm biến 10 Hình 2.8 Cấu trúc stack hệ thống Android 12 Hình 2.9 Activity Stack 15 Hình 2.10 Chu kỳ sống Activity 17 Hình 2.11 Điều kiện START STOP I2C 20 Hình 2.12 Dạng địa 7-bit thiết bị tớ 20 Hình 2.13 Dạng địa 10-bit thiết bị tớ 21 Hình 2.14 Giao thức thiết bị chủ truyền thiết bị tớ nhận 21 Hình 2.15 Giao thức thiết bị chủ nhận thiết bị tớ truyền 22 Hình 2.16 USB OTG 23 Hình 3.1 Sơ đồ tổng quát 24 Hình 3.2 Hình ảnh thực tế sơ đồ kết nối module AD8232 26 Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc IC AD8232 27 Hình 3.4 Sơ đồ chân IC AD8232 27 Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý IC AD8232 29 Hình 3.6 Hình ảnh thực tế, sơ đồ chân module Muscle Sensor v3 30 Hình 3.7 Sơ đồ chân IC AD8221 31 Hình 3.8 CMRR AD8221 so với sán phẩm khác 31 Hình 3.9 Hình ảnh thực tế, sơ đồ chân sơ đồ kết nối cảm biến MAX30100 33 Hình 3.10 Hình ảnh thực tế sơ đồ kết nối board Arduino Nano 35 Hình 3.11 Hình ảnh thực tế vi điều khiển ATMega328 36 Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý ATMega 328 38 Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống 40 Hình 3.14 Sơ đồ hệ thống 40 Hình 4.1 Sơ đồ dây 41 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP vi Hình 4.2 Mơ hình 3D mạch 42 Hình 4.3 Sơ đồ bố trí mặt trái, phải (dƣới) 43 Hình 4.4 Sơ đồ bố trí mặt sau, trƣớc (dƣới) 43 Hình 4.5 Sơ đồ bố trí mặt 43 Hình 4.6 Mặt trƣớc, sau 44 Hình 4.7 Mặt 44 Hình 4.8 Hai mặt bên 44 Hình 4.9 Lƣu đồ chƣơng trình 46 Hình 4.10 Chƣơng trình giao diện LOGIN 47 Hình 4.11 Lƣu đồ giao diện điều khiển, tab NEW TESTS 49 Hình 4.12 Tab UTILITIES tab HISTORY 50 Hình 4.13 Lƣu đồ chƣơng trình Đổi password 51 Hình 4.14 Lƣu đồ chƣơng trình Kiểm tra Database Login 52 Hình 4.15 Lƣu đồ chƣơng trình Kiểm tra Database Phone 53 Hình 4.16 Lƣu đồ kiểm tra Database Note 53 Hình 4.17 Lƣu đồ chƣơng trình Cảnh báo SAVE 54 Hình 4.18 Lƣu đồ giao diện đo ECG, EMG 55 Hình 4.19 Lƣu đồ giao diện đo SpO2 56 Hình 4.20 Lƣu đồ chƣơng trình lƣu Google Drive 57 Hình 4.21 Lƣu đồ giải thuật chƣơng trình 58 Hình 4.22 Lƣu đồ chƣơng trình Heart 59 Hình 4.23 Lƣu đồ chƣơng trình readSpO2 60 Hình 4.24 Lƣu đồ chƣơng trình readSpO2 61 Hình 4.25 Lƣu đồ chƣơng trình startupSpO2 62 Hình 4.26 Download cài đặt phần mềm 63 Hình 4.27 Khung giao diện cài đặt xong 64 Hình 4.28 Các bƣớc cài driver kết nối PC với arduino 66 Hình 4.29 Giao diện lập trình phần mềm Arduino IDE 66 Hình 4.30 Cấu hình board trƣớc sử dụng 67 Hình 4.31 Chọn Port 68 Hình 4.32 Chọn Programmer 68 Hình 4.33 Chọn biểu tƣợng Explore góc phải phía dƣới hình 72 Hình 4.34 Click biểu tƣợng Insert chart 72 Hình 4.35 Chọn Advanced edit 73 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP vii Hình 4.36 Chọn Use column E as labels 73 Hình 4.37 Giao diện tab Customization 74 Hình 4.38 Điền tên biểu đồ vào Title 74 Hình 4.39 Điều chỉnh trục ngang 75 Hình 4.40 Điều chỉnh trục đứng 75 Hình 4.41 Ấn Update để hồn tất 76 Hình 4.42 Kết SpO2 76 Hình 5.1 Mạch sau lắp ráp module với Arduino Nano 79 Hình 5.2 Sản phẩm hồn tất đóng hộp 80 Hình 5.3 Hình dạng sóng ECG hiển thị hình điện thoại 80 Hình 5.4 Dữ liệu SpO2 hiển thị hình điện thoại 80 Hình 5.5 Giao diện nhấn nút SAVE, tiến trình gởi liệu chọn Also save on Google Drive 81 Hình 5.6 Giao diện Google Drive chứa liệu 81 Hình 5.7 Biểu diễn đồ thị Google Drive 81 Hình 5.8 Kết đo điện tim máy PRIMEDIC DEFIMONITOR EVO™ 83 Hình 5.9 Máy đo điện hãng Allengers 83 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP viii