báo cáo bài tập lớn đề tài thiết bị theo dõi chỉ số cơ thể trong máu

Biết được thông số nhịp tim giúp mọi người khi luyện tập thể thao xác định được ngưỡng hoạt động của nhịp tim để không vận động quá sức gây hại tới sức khỏe hoặc bị chấn thương.. Hiện na

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

***** □&□ *****

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

ĐỀ TÀI: Thiết bị theo dõi chỉ số cơ thể (trong máu)

Giảng viên hướng dẫn: Hàn Huy Dũng

Mã lớp:

Sinh viên: 150126 Nguyễn Quang Hòa

Vũ Duy Khánh

Hà Khánh Ngân Nguyễn Hữu Thành

Hà Nội, 06 /2024

Mục lục

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 3

1.1 Đặt vấn đề 3

1.2 Mục tiêu 4

1.3 Lý do thực hiện đề tài 4

1.4 Mục đích đề tài: 4

1.5 Giới hạn: 5

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết 5

2.1 Tổng quan về các phương pháp đo 5

2.2 Giới thiệu phần cứng 7

2.2.1Cảm biến nhịp tim và nồng độ oxy trong máu MAX30100 7

2.2.2 Màn hình LCD 8

Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 9

3.1 Giới thiệu 9

3.2 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 9

3.3 Tính toán và thiết kế mạch 10

3.3.1 Khối trung tâm xử lý 10

3.3.2 Thiết kế khối đo nhịp tim và SpO2 11

3.3.3 Khối hiển thị 15

3.4 AppBlink 15

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay, khi khoa học công nghệ phát triển một cách mạnh mẽ, việc ứng dụng các thiết bị điện tử vào đời sống ngày càng trở nên phổ biến Trong đó nhu cầu theo dõi sức khỏe ngày càng trở nên cần thiết và được ứng dụng nhiều trong chăm sóc sức khỏe y tế Nhịp tim, nồng độ oxy trong máu và nhiệt độ là 3 yếu tố quan trọng để xác định tình trạng sức khỏe Biết được thông số nhịp tim giúp mọi người khi luyện tập thể thao xác định được ngưỡng hoạt động của nhịp tim để không vận động quá sức gây hại tới sức khỏe hoặc bị chấn thương Theo dõi nhịp tim thường xuyên còn giúp mọi người phát hiện kịp thời các bệnh lý về rối loạn nhịp tim

Ngoài ra, theo dõi chỉ số Sp02 thường xuyên sẽ giúp bạn nắm rõ lượng oxy trong máu, biết được khi nào bạn cần thêm oxy cho cơ thể hoặc có những xử lý kịp thời khi lượng oxy trong máu giảm đột ngột Bên cạnh đó, nhiệt độ cơ thể cũng góp phần quan trọng trong việc chuẩn đoán sức khỏe Nhiệt độ cơ thể là thước đo khả năng sinh ra và thoát nhiệt của cơ thể Trong cơ thể người, năng lượng không ngừng được tạo ra trong quá trình chuyển hóa Sự ổn định thân nhiệt là điều kiện quan trọng cho sự hoạt động bình thường của các cơ quan nội tạng Vì vậy, thường xuyên theo dõi nhiệt độ cơ thể góp phần phát hiện kịp thời những vấn đề về sức khỏe

Hiện nay cũng có nhiều đồ án và bài nghiên cứu làm về thiết bị đo nhịp tim,

và nồng độ oxy trong máu, dự án của tác giả Ashwini Kumar với đề tài “Máy đo nhịp tim và Oxy trong máu thông minh với hệ thống tiết kiệm dữ liệu tự động” Dự

án này sử dụng board Arduino Uno làm bộ xử lý trung tâm, cảm biến Max30100 cảm biến giá trị nhịp tim và nồng độ oxy trong máu Giá trị các thông số được hiển thị trên App Inventor trên điện thoại Android Dữ liệu được truyền lên thông qua giao tiếp Bluetooth Ngoài ra, với ý tưởng đo nhiệt độ không tiếp xúc cũng có dự

án của tác giả Konstantin Dimitrov với đề tài “Nhiệt kế Oled không tiếp xúc”, giá trị nhiệt độ được đo bằng cảm biến nhiệt độ hồng ngoại MLX90614 và hiển thị trên Oled với bộ xử lý trung tâm là board Arduino Uno Giá trị cảm biến được gửi lên Oled qua chuẩn giao tiếp I2C Với những thực tế trên, nhóm em xin tìm hiểu và nghiên cứu đề tài “Thiết kế và thi công thiết bị đo nhịp tim, nồng độ Oxy trong máu và nhiệt độ.” Với thiết bị này người dùng có thể đo các thông số sức khỏe là nhịp tim, nồng độ Oxy trong máu

1.2 Mục tiêu

 Thiết kế và thi công thiết bị đo các thông số sức khỏe là nhịp tim, nồng độ Oxy trong máu và nhiệt độ cơ thể Thiết bị hiển thị giá trị trên màn hình Oled và App trên điện thoại Ngoài ra, thiết bị còn có khả năng cảnh báo thông qua còi buzzer cho người dùng khi thông số đo được không nằm trong ngưỡng bình thường

1.3 Lý do thực hiện đề tài

a Thách Thức Ngày Càng Tăng về Sức Khỏe:

Trong bối cảnh xã hội ngày nay, thách thức về sức khỏe ngày càng tăng, với các bệnh lý liên quan đến lối sống và chế độ ăn uống đóng góp lớn vào tình trạng sức khỏe toàn cầu Đề tài được triển khai với ước vọng đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của cộng đồng về việc quản lý và cải thiện sức khỏe cá nhân

b Giải Pháp Hiệu Quả cho Quản Lý Sức Khỏe Cá Nhân

Hiện nay, người dùng ngày càng mong muốn sự chủ động và đồng thời trong việc quản lý sức khỏe cá nhân của mình Thiết bị theo dõi chỉ số trong máu không chỉ mang lại thông tin chính xác và đầy đủ mà còn tạo điều kiện cho người dùng tự giác hơn về lối sống và quyết định của họ

c Cần Thiết Lập Lối Sống Lành Mạnh:

Dự án không chỉ là về việc chữa trị mà còn là về việc ngăn ngừa Thiết bị này sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra sự nhận thức và khuyến khích mọi người thực hiện các thay đổi tích cực trong lối sống, từ việc ăn uống đến hoạt động thể chất, nhằm đảm bảo sự phòng tránh bệnh tốt nhất

1.4 Mục đích đề tài:

 Mục đích chính của đề tài là đưa ra một giải pháp đa chức năng giúp người dùng trở nên chủ động hơn trong quản lý sức khỏe cá nhân Thiết bị sẽ cung cấp thông tin chính xác về chỉ số nồng độ oxy trong máu, giúp người dùng theo dõi sự biến động của sức khỏe và đưa ra quyết định thông minh về chế

độ ăn uống và hoạt động thể chất

 Để nâng cao khả năng chẩn đoán và điều trị, mục tiêu của đề tài là cung cấp

dữ liệu chính xác chỉ số nồng độ oxy trong máu Điều này sẽ giúp các

chuyên gia y tế đưa ra các quyết định dựa trên dữ liệu hiện thực và theo dõi tình trạng sức khỏe của bệnh nhân một cách kịp thời và chính xác

 Một phần quan trọng của mục đích là xây dựng một cộng đồng người dùng chia sẻ thông tin và kinh nghiệm Dự án sẽ khuyến khích sự tương tác giữa người dùng, tạo điều kiện để họ chia sẻ những hành trình sức khỏe cá nhân,

từ đó tạo ra một nguồn động viên và hỗ trợ tích cực

1.5 Giới hạn:

 Thiết bị đo nhịp tim, nồng độ oxy trong máu và nhiệt độ chỉ dùng trong môi trường khô ráo không thấm nước

 Thiết bị đo nhịp tim, nồng độ oxy trong máu và nhiệt độ không có chức năng phân tích các thông số để đưa ra chuẩn đoán về sức khỏe

 Thiết bị đo nhịp tim, nồng độ oxy trong máu và nhiệt độ chỉ kết nối được với điện thoại trong phạm vi bán kính 10m

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

2.1 Tổng quan về các phương pháp đo

Phương pháp 1:

 Đo nhịp tim bằng nhấn ngón tay sử dụng mặt trong của hai 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 Cách đo được miêu tả rõ ở hình 2.1 bên dưới

 Đo nhịp tim bằng dùng ống nghe đeo tai, tư thế đo như hình 2.2 Đầu tiên,

ta nghe và kiểm tra ống nghe, mùa đông cần xoa làm ấm loa nghe trước khi nghe Đặt ống nghe lên các vị trí nghe tim, mỗi lần đặt ống nghe 10 -20 giây Sau đó dùng đồng hồ để xác định số nhịp tim Trong quá trình đo cần thả lỏng cơ thể, ngồi ở tư thế thoải mái

Phương pháp 2: Phương pháp xâm lấn

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 Các điện cực sẽ được gắn lên vùng ngực đã được cồn khử trùng, dùng bằng dán cố định dây và điện cực, dụng cụ sẽ được khởi động và đo liên tục

từ 24-48 tiếng, dữ liệu sẽ được lưu trữ vào một bộ nhớ Nhận xét: là phương pháp có độ chính xác cao, được sử dụng nhiều trong các bệnh viện, trung tâm khám sức khỏe, có thể đo được nhiều thông số trong cùng một khoảng thời gian Nhưng có thể gây ra các tác dụng phụ như dị ứng da do tiếp xúc dòng điện cực hay các chất để dán cố định, gây cảm giác khó chịu

Phương pháp 3: Phương pháp không xâm lấn

Khi tim đập, máu sẽ được dồn đi khắp cơ thể qua động mạch, tạo ra sự thay đổi về áp suất trên thành động mạch và lượng máu chảy qua động mạch Vì thế ta có thể đo nhịp tim bằng cách đo những sự thay đổi đó Khi lượng máu trong thành động mạch thay đổi sẽ làm thay đổi mức hấp thụ ánh sáng của động mạch, do đó khi một tia sáng được truyền qua động mạch thì cường độ ánh sáng sau khi truyền qua sẽ biến thiên đồng bộ với nhịp tim Khi nhịp tim giãn ra, lượng máu qua động mạch nhỏ nên hấp thụ ít ánh sáng, ánh sáng sau khi truyền qua động mạch có cường độ lớn, ngược lại khi tim co vào, lượng máu qua động mạch lớn hơn, ánh sáng sau khi truyền qua động mạch sẽ có cường độ nhỏ hơn Ánh sáng sau khi truyền qua ngón tay gồm hai thành phần AC và DC

Phương pháp đo Sp02 dụa vào hấp thụ quang học:

Vị trí đặt cảm biến hợp lý nhất là các đầu ngón tay như hình 2.4, tuy động mạch ở vị trí này không quá lớn nhưng bề dày cơ thể ánh sáng phải truyền qua lại tương đối ít nên chỉ cần dùng 1 LED làm nguồn phát Mặt khác, ở vị trí này cho mức độ biến thiên cường độ ánh sáng nhận được là

khá lớn so với toàn bộ ánh sáng nhận được, tỉ số giữa biên độ tín hiệu với nền một chiều là đủ lớn để phần xử lý tín hiệu hoạt động đưa ra kết quả chính xác nhất Tuy nhiên, khi đo cần giữ ngón tay không dịch chuyển, sẽ ảnh hưởng tới độ chính xác của kết quả đo

Một thiết bị ở một bên của đầu dò phát ra ánh sáng đỏ (660nm) và hồng ngoại (880nm) Đầu dò (photodetecter) sẽ đặt quanh ngón tay để thu nhận ánh sáng Dựa vào sự hấp thụ của hai loại tế bào hemoglobin với các bước sóng khác nhau, ta xác định được thông số SpO2 Mức độ hấp thụ ánh sáng của một bước sóng xác định phụ thuộc vào bản chất môi trường vật chất Sau khi cảm biến quang đã nhận được các tia ánh sáng đỏ (R) và tia hồng ngoại(IR), tỉ lệ R/IR sẽ được đem ra so sánh với bảng tra cứu chuẩn được các nhà thiết kế máy đo xây dựng sẵn để chuyển đổi sang giá trị Sp02 tương ứng

2.2 Giới thiệu phần cứng

2.2.1 Cảm biến nhịp tim và nồng độ oxy trong máu MAX30100

Cảm biến MAX30100 của hãng Maxim là module tích hợp có khả năng đo được nồng độ oxy trong máu và nhịp tim Đây là một cảm biến quang học, nó phát

ra hai bước sóng ánh sáng từ hai đèn LED (LED đỏ và một LED hồng ngoại) như trong hình 2.5 Sau đó đo sự hấp thụ của mạch đập (pulsing blood) bằng cách thu tín hiệu thông qua một bộ cảm biến ánh sáng (photodetector) Sự kết hợp màu LED được sử dụng để đọc dữ liệu ở đầu ngón tay Từ đó xác định được nồng độ oxy trong máu và nhịp tim

Cảm biến có đặc điểm là tích hợp IC MAX30100 của Maxim, đây chính là

bộ cảm biến quang học gồm hai LED, được tối ưu và giảm nhiễu Bên cạnh đó có

sử dụng nguyên lý đo hấp thụ quang học của máu với tốc độ lấy mẫu dựa trên trạng thái LED có thể lập trình được phục vụ cho mục đích tiết kiệm năng lượng Giao tiếp thông qua I2C Chi tiết về cảm biến được thể hiện rõ ở thông số kỹ thuật trong bảng 2.1 bên dưới

STT THÔNG SỐ GIÁ TRỊ

2 Điện áp hoạt động 1.8V – 3.3V (DC)

3 Dòng hoạt động thấp 0.7 (uA)

4 Giá trị ADC 16-bit

5 Tốc độ đọc dữ liệu 50Hz to 1kHz

6 Cảm biến quang IR led hồng ngoại & bộ tách sóng quang

7 Hỗ trợ giao tiếp I2C

8 Nhiệt độ hoạt động -40 ° C đến +85 ° C

2.2.2 Màn hình LCD

-Điện áp MAX : 7V

- Điện áp MIN : - 0,3V

- Hoạt động ổn định : 2.7-5.5V

- Điện áp ra mức cao : > 2.4

- Điện áp ra mức thấp : <0.4V

- Dòng điện cấp nguồn : 350uA - 600uA

- Nhiệt độ hoạt động : - 30 - 75 độ C  

- Giao tiếp : I2C

Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.1 Giới thiệu

Trong chương này, trình bày về cách tính toán, sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý của các board của hệ thống: Trung tâm xử lý, module đọc giá trị cảm biến, giao tiếp không dây, oled hiển thị

3.2 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

 Chức năng của khối:

 Khối xử lý trung tâm: Cấp nguồn nuôi cho cảm biến, nhận dữ liệu và xử lý

các tín hiệu nhận được từ các khối đo nhịp tim và SpO2, hiển thị kết quả ra màn hình và gửi dữ liệu qua giao tiếp wifi

 Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho hệ thống hoạt động.

 Khối hiển thị: Nhận giá trị từ khối xử lý trung tâm và hiển thị các giá trị

nhận được từ trung tâm xử lý

 Giao diện người dùng: Nhận dữ liệu từ trung tâm xử lý, lưu trữ dữ liệu đo

được trên Firebase và trên ứng dụng điện thoại thuận lợi cho việc theo dõi và truy cập

 Khối đo SpO2: Dùng để phát hiện sự thay đổi nhịp tim và SpO2 sau đó gửi

về trung tâm để xử lý

3.3 Tính toán và thiết kế mạch

3.3.1 Khối trung tâm xử lý

a Chức năng

Nhận dữ liệu từ các cảm biến, tính toán và xử lý tín hiệu thu nhận được Truyền dữ liệu đã xử lý cho các khối chức năng khác thông qua các truyền không dây

b Lựa chọn linh kiện

Để phù hợp với các yêu cầu nhóm đặt ra thì bọn em chọn Kit RF thu phát wifi Esp32 được tích hợp anten và RF, hoạt động tiết kiệm năng lượng, ổn định, chống nhiễu tốt, đây là giải pháp chi phí thấp nhất cho 1 dự án với một mạch sử dụng wifi 2.4Ghz và bluethooth TSMC công nghệ 40nm năng lượng thấp để làm bộ xử lý trung tâm

3.3.2 Thiết kế khối đo nhịp tim và SpO2

a Chức năng

Đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu của người dùng bằng phương pháp hấp thụ quang học

b Lựa chọn linh kiện

Với các nguyên lý đo nhịp tim đã trình bày ở trước thì cảm biển nhịp tim MAX30100 phù hợp cho đề tài, dễ lập trình và cảm biến sử dụng phương pháp

đo quang phổ biến hiện nay với thiết kế và chất liệu mắt đo chuyên biệt từ chính hãng Maxim cho sự chính xác và độ bền cao, cảm biến sử dụng giao tiếp I2C với bộ thư viện sẵn có trên Arduino nên dễ sử dụng Như vậy để có thể đo nhịp tim và SpO2 bằng phương pháp này, nguyên lý tương đối đơn giản ta cần 3 thành phần:LED, LDR và vi điều khiển

Ở trạng thái hoạt động, Led luôn phát ra ánh sáng và LDR sẽ thu ánh sáng phản xạ từ Led, khi có máu dẫn trong mạch máu (mạch máu dãn ra), ánh sáng

từ Led dẽ bị hấp thụ nhiều hơn dẫn đến cường độ ánh sáng mà LDR thu được là

ít hơn, ngược lại khi không có máu dẫn (mạch máu co lại), ánh sáng từ Led sẽ không hấp thụ bởi máu, do đó cường độ ánh sáng LDR thu được là lớn hơn Từ

đó ta có thể nhận biết được sự thay đổi, qua đó xác định được thời điểm máu dẫn trong mạch máu tức là lúc tim đập

 Giải thích sơ đồ nguyên lý:

 Nguồn cung cấp cho cảm biến hoạt động từ 1.8V-5.5V Tuy nhiên nguồn 3.3V được khuyến khích sử dụng để cảm biến hoạt động tốt nhất

 Các tụ điện C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7 mục đích để lọc nguồn trước khi vào các khối chức năng

 Khối U1 dùng làm bộ điều khiển cảm biến LED hồng ngoại chính của

MAX30100

 Khối U2 là khối IC ổn áp nguồn

 Khối U3 là mạch giảm áp 3.3V-1.8V

 Điện trở R1, R2 điện trở 472 Ω kéo lên của chuẩn giao tiếp I2C

Chân Vin là chân cấp nguồn cho cảm biến hoạt động, chân SCL là chân clock có tác dụng đồng bộ hóa việc truyền dữ liệu giữa các thiết bị và việc tạo xung clock đó là thiết bị chủ (master), chân SDA là chân truyền dữ liệu Hai chân này hoạt động ở chế độ mở vì vậy để sử dụng cần có điện trở mắc vào Tức là nối +5v - trở - 12C bởi các thiết bị trên giao tiếp i2c hoạt động ở mức thấp Chân INT là chân ở chế độ trở kháng thấp cho phép dòng điện đi ra Chân IRD là chân của LED hồng ngoại Chân RD là chân của LED đỏ thường Chân GND là chân nối đất của cảm biến

Ta có cảm biến MAX30100 với vi điều khiển giao tiếp qua chuẩn 12C chỉ gồm hai dây và được đặt tên là Serial Clock Line (SCL) và Serial Data Line (SDA) Dữ liệu được truyền đi được gửi qua dây SDA và được đồng bộ với tín hiệu đồng hồ (clock) từ SCL

Giao tiếp 12C (SDA, SCL) đều hoạt động như các bộ lái cực máng hở (open drain) Nó có nghĩa là bất kỳ thiết bị nào trên mạng I2C có thể lái SDA và SCL xuống mức thấp, nhưng không thể lái chúng lên mức cao Vì vậy, cần điện trở kéo lên R1, R2 giá trị 4.7k được sử dụng để giữ cho chúng ở mức cao (ở điện

áp dương) theo mặc định

Lý do sử dụng một hệ thống cực máng hở (open drain) là để không xảy ra hiện tượng ngắn mạch, điều này có thể xảy ra khi một thiết bị cố gắng kéo đường dây lên cao và một số thiết bị khác cố gắng kéo đường dây xuống thấp

Ở đây ta sử dụng Arduino Nano dùng để thu nhận tín hiệu từ cảm biến Max30100 và xử lý tín hiệu Sau đó hai thông số đo được là nhịp tim và nồng

độ SpO2 sẽ được truyền qua NodeMCU ESP8266 thông qua truyền UART qua các chân Tx, Rx của hai Arduino

3.3.3 Khối hiển thị

Màn hình Oled 0.96inch I2C hoạt động ở mức điện áp 3.3V đến 5V cho khả năng hiển thị hình ảnh đẹp với khung hình 128x64 pixel Ngoài ra, màn hình còn