đồ án môn học Tìm hiểu về nhịp tim và phương pháp đo nhịp tim bằng hấp thụ quang học

Mở đầu- Nội dung đồ án: Tìm hiểu, thiết kế, tính toán và thi công mạch đo nhịp tim - Đồ án gồm có 4 chương: + Chương 1: Tìm hiểu về nhịp tim và các phương pháp đo nhịp tim + Chương 2: Sơ

Lời cam đoan

Chúng em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ

đồ án hoặc công trình đã có từ trước

Kí tên:

Mục lục

Lời mở đầu ………

Phần 1: Lý thuyết Chương 1: Tìm hiểu về nhịp tim và phương pháp đo nhịp tim bằng hấp thụ quang học 1.1 Giới thiệu chương ………

1.2 Tìm hiểu về nhịp tim………

1.3 Phương pháp đo nhịp tim bằng hấp thụ quang học………

1.4 Kết luận chương………

Chương 2: Sơ đồ khối 2.1 Giới thiệu chương………

2.2 Sơ đồ khối và chức năng các khối………

2.2.1 Sơ đồ khối tổng quan………

2.2.2 Chức năng các khối………

2.3 Chọn linh kiện sử dụng cho các khối………

2.4 Kết luận chương………

Phần 2: Thiết kế, tính toán và thi công mạch Chương 3: Thiết kế và tính toán sơ đồ mạch 3.1 Giới thiệu chương………

3.2 Thiết kế, tính toán khối nguồn……….

3.3 Thiết kế, tính toán khối cảm biến………

3.4 Thiết kế, tính toán khối lọc và khuếch đại………

3.5 Thiết kế, tính toán khối xử lý trung tâm và khổi hiển thị………

3.6 Kết luận chương………

Chương 4: Lưu đồ thuật toán và lập trình 4.1 Giới thiệu chương………

4.2 Lưu đồ thuật toán chương trình chính………

4.3 Lưu đồ thuật toán đo nhịp tim………

4.4 Lưu đồ thuật toán hiển thị LCD………

4.5 Code lập trình………

4.5 Kết luận chương………

Chương 5: Thi công mạch 5.1 Giới thiệu chương………

5.1 Layout ………

5.2 Lắp ráp và kiểm tra mạch………

5.3 Kết luận chương………

Kết luận và hướng phát triển đề tài

Tài liệu tham khảo

Phần phụ lục

Mở đầu

- Nội dung đồ án: Tìm hiểu, thiết kế, tính toán và thi công mạch đo nhịp tim

- Đồ án gồm có 4 chương:

+ Chương 1: Tìm hiểu về nhịp tim và các phương pháp đo nhịp tim

+ Chương 2: Sơ đồ khối

+ Chương 3: Thiết kế và tính toán sơ đồ mạch

+ Chương 4: Lưu đồ thuật toán và lập trình

+ Chương 5: Thi công mạch

- Phương pháp nghiên cứu, thực hiện đồ án: tính toán thiết kế mạch, xây dựng các lưu đồthuật toán và thi công lắp ráp để kiểm chứng tính đúng đắn của phần thiết kế và các lưu

đồ thuật toán đã xây dựng

- Kết quả đạt được của đồ án: Thiết kế thi công thành công mạch điện đo nhịp tim và hiểnthị lên LCD

Phần 1: Lý thuyết Chương 1: Tìm hiểu về nhịp tim và phương pháp đo nhịp tim bằng hấp thụ quang học

1.1 Giới thiệu chương:

Chương này sẽ tìm hiểu về nhịp tim và đo nhịp bằng phương pháp hấp thụ quang học

1.2 Tìm hiểu về nhịp tim:

- Khái niệm: Nhịp tim là số nhịp đập của tim trên một đơn vị thời gian, thường được tính

và nhịp/phút Nhịp tim có thể thay đổi theo nhu cầu hấp thụ Oxi và bài tiết CO2 của cơ thể, ví dụ như lúc tập thể dục và lúc ngủ

- Bảng thông số đánh giá nhịp tim ở trạng thái nghỉ ngơi:

Bảng 1.1 [1]: Thông số đánh giá nhịp tim người ở trạng thái nghỉ ngơi

1.3 Đo nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ quang học:

1.3.1 Cơ sở lý thuyết:

- 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 vậy, ta có thể đo nhịp tim bằng cách đo những sự thay đổi đó.

Hình 1.1: Dạng tín hiệu nhịp tim

- Khi lượng máu trong thành động mạch thay đổi sẽ làm thay đổi mức độ hấp thụ ánh sáng của động mạch, do đó khi một tia sáng được truyền qua động mạch thì cường độ ánhsáng sau khi truyền qua sẽ biến thiên đồng bộ với nhịp tim

- Khi 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

Hình 1.2: Sự hấp thụ ánh sáng của động mạch khi truyền qua ngón tay.

- Ánh sáng sau khi truyền qua ngón tay gồm 2 thành phần 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 đặc trưng cho cường độ ánh sáng thay đổi khi lượng máu thay đổi truyền qua động mạch, tần số của tín hiệu này đồng bộ với tần số nhịp tim

=> Nếu ta lọc bỏ thành phần DC sẽ thu được tín hiệu AC đồng bộ với tín hiệu nhịp tim

1.3.2 Vị trí đặt cảm biến:

* Yêu cầu:

- Phải đặt nguồn phát và nguồn thu để thu được kết quả tốt nhất

- Vị trí dễ dàng đặt cảm biến, khoảng cách thu phát không quá gần cũng không quá xa

=> Chọn ngón tay là nơi đặt cảm biến

Hình 1.3: Vị trí đặt cảm biến

1.4 Kết luận chương:

- Từ việc tìm hiểu về nhịp tim và phương pháp đo nhịp tim bằng hấp thụ quang học, ta cóthể thiết kế cảm biến ánh sáng để phục vụ cho việc đo nhịp tim

CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ KHỐI

2.1 Giới thiệu chương

Ở chương trước chúng ta đã được tìm hiểu về nhịp tim con người và phương pháp đo nhịp tim bằng phương pháp quang học Chương này chúng ta sẽ đi xây dựng sơ đồ khối

và chức năng tổng quan của từng khối

2.2 Sơ đồ khối và chức năng các khối

2.2.1 Sơ đồ khối tổng quan:

khuếch đại

2.2.2 Chức năng các khối:

- Khối cảm biến nhịp tim: cảm biến nhịp đập của tim và khuếch đại tín hiệu

- Khối lọc và khuếch đại: Lọc tín hiệu DC và khuếch đại tín hiệu để đưa vào vi điều khiển xử lý

- Khối xử lý trung tâm: dùng để xử lý các tín hiệu vào và xuất tín hiệu ra,điều khiển mọi hoạt động của hệ thống và chuyển đôi ADC

- Khối hiển thị: hiển thị kết quả

- Khối nguồn : cung cấp nguồn cho các khối khác

2.3 Chọn linh kiện sử dụng cho các khối:

2.3.1 Chọn vi điều khiển cho khối xử lý trung tâm:

*Chọn vi xử lý PIC16F877A:

- Là loại vi xử lý khá phổ biến dễ tìm mua ở thị trường Đà Nẵng

- Đã được học về lý thuyết và thực hành ở trường

- Giá thành phù hợp

Hình 2.1: Pic 16F877A

*Giới thiệu tổng quan về vi xử lý PIC16F877A:

PIC 16F877A là một dòng PIC phổ biến (đủ mạnh về tính năng, 40 chân, bộ nhớ đủ cho hầu hết các ứng dụng thông thường) Cấu trúc tổng quát của PIC 16F877A như sau:

- 8 K Flash ROM

- 368 Bytes RAM

- 256 Bytes EEPROM

- 5 ports (A, B, C, D, E) vào ra với tín hiệu điều khiển độc lập

- 2 bộ định thời 8 bits (Timer 0 và Timer 2)

- Một bộ định thời 16 bits (Timer 1) có thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm năng lượng (SLEEP MODE) với nguồn xung Clock ngoài

- 2 bô CCP( Capture / Compare/ PWM)

- 1 bộ biến đổi AD 10 bits, 8 ngõ vào

- 2 bộ so sánh tương tự (Compartor)

- 1 bộ định thời giám sát (WatchDog Timer)

- Một cổng song song 8 bits với các tín hiệu điều khiển

- Một cổng nối tiếp

- 15 nguồn ngắt

- Có chế độ tiết kiệm năng lượng

- Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSP(In-Circuit Serial Programming)

- Được chế tạo bằng công nghệ CMOS

- Phù hợp với yêu cầu hiển thị của đồ án.

- Giá thành phù hợp

*Giới thiệu tổng quan về LCD 16x2:

- Điện áp vào mức thấp VIL -0.3V đến 0.6V

- Điện áp ra mức cao (DB0-DB7) Min 2.4V (khi IOH = -0.205mA)

- Điện áp ra mức thấp (DB0-DB7) Max 0.4V (khi IOL = 1.2mA)

- Dòng điện ngõ vào ILI -1uA đến 1uA (khi VIN = 0 đến Vcc)

- Dòng điện cấp nguồn ICC 350uA(typ.) đến 600uA

- Tần số dao động nội fOSC 190kHz đến 350kHz (điển hình là

270kHz)

Hình 2.2: LCD 16x2

Chức năng các chân:

1 Vss Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với GND của

mạch điều khiển

2 VDD Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với

VCC=5V của mạch điều khiển

3 VEE Điều chỉnh độ tương phản của LCD

Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/W với logic “0”

để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế

độ đọc

Chân cho phép (Enable) Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân E.+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào(chấp nhận)thanh ghi bên trong nó khi phát hiện một xung (high-to-low transition)của tín hiệu chân E

DB0-+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiệncạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đếnkhi nào chân E xuống mức thấp

- Led phát: chọn led phát hồng ngoại 5mm.

- Led thu: photo diode 5mm

2.3.4 Chọn linh kiện khối lọc và khuếch đại:

- Với yêu cầu số Opamp sử dụng là 3, ta chọn IC LM324 có 4 bộ Opamp

Phần 2: Thiết kế, tính toán và thi công mạch

Chương 3: Thiết kế và tính toán sơ đồ mạch

3.1 Giới thiệu chương:

- Quá trình xây dựng bước đầu và nền tảng lý thuyết đã cho ta thấy được tính khả thi của

đồ án

- Việc thiết kế và tính toán mạch tốt sẽ tạo thuận lợi cho việc thi công mạch sau này

3.2 Thiết kế, tính toán khối nguồn:

- Như đã nói ở trên, để thuận tiện, trong đồ án này ta sử dụng nguồn Pin DC 9V và ổn áp L7805 để cấp nguồn cho toàn mạch

3.3 Thiết kế, tính toán khối cảm biến:

- Khối cảm biến ở đây ta dùng là 2 con led thu phát hồng ngoại

- Đặc điểm của thu phát hồng ngoại là ít bị nhiễu, tín hiệu thu phát tốt hơn so với dùng led siêu sáng Giá thành rẻ, dễ mua, dễ sử dụng

3.3.1 Sơ đồ mạch:

Hình 3.1: Sơ đồ mạch khối cảm biển.

3.3.2 Tính toán linh kiện:

- Chọn Vcc=5v

- Để đảm bảo led hồng ngoại phát đủ sáng, chọn dòng phân cực cho led = 20mv

- Điện áp rơi trên D1 là 2V

Hình 3.2: Sơ đồ mạch khối lọc và khuếch đại.

Do vậy ta thiết kế bộ lọc có thể đo được tần số

- Sử dụng tầng khuếch đại OPAMP2 tương tự.

Vậy hệ số khuếch đại của 2 tàng khuêch đại sẽ là tích của mỗi tầng

K=K1 * K2 = 101 * 101 = 10100 lần

Tín hiệu vào sẽ khoảng vài mV được khuếch đại lên cỡ vài volt để đưa vào vi điều khiển

để xử lý

- Chọn R10 = 1k Ω để phân cực cho Led D1

3.5 Thiết kế, tính toán khối xử lý trung tâm và khổi hiển thị

3.5.1 Sơ đồ mạch:

Hình 3.3: Sơ đồ mạch khối xử lý trung tâm và hiển thị

Chương 4: Lưu đồ thuật toán và lập trình

4.1 Giới thiệu chương:

- Chương này sẽ xây dựng lưu đồ thuật toán đo tần số nhịp tim sử dụng vi điều khiển từ

đó lập trình cho vi điều khiển bằng ngôn ngữ lập trình C

4.2 Lưu đồ thuật toán chương trình chính:

Hình 4.1: Lưu đồ thuật toán chương trình chính

4.3 Lưu đồ thuật toán đo nhịp tim:

Hình 4.2: Lưu đồ thuật toán đo nhịp tim

4.4 Lưu đồ thuật toán giao tiếp LCD

Hình 4.3: Lưu đồ thuật toán giao tiếp LCD

#define MAX_SAMPLE 10

CONFIG(FOSC_HS & WDTE_OFF & PWRTE_OFF & BOREN_OFF & LVP_OFF

& CPD_OFF & WRT_OFF & CP_OFF);

// Khai bao cac bien

unsigned long time[MAX_SAMPLE];

unsigned long time_tmp = 0x00;

unsigned char index = 0x00;

void timer0_config();

// Chuong trinh con xu ly ngat

void interrupt ISR()

{

/* Ngat ngoai INT0 */

if((INTF == 1) && (INTE == 1))

timer0_config(); // Thiet lap Timer0 lcd_goto(0); // Ve dau dong

lcd_puts("Mach do nhip tim");

lcd_goto(0x40); // Xuong dong thu 2 lcd_puts("Nhip tim: ");

INTE = 1; // Cho phep ngat ngoai GIE = 1; // Cho phep ngat toan cuc for(i = 0; i < MAX_SAMPLE; i++) // Xoa du lieu

sum = 15625.0/(4*sum); // f = fTimer / average_timer_value sum = 60*sum; // Nhip tim = sum * 60 nhip/phut tmp = (int)sum; // Lay phan nguyen

lcd_goto(0x4A);

lcd_putch((tmp/100) + 48); // Hien thi hang tram

tmp = tmp%100;

lcd_putch((tmp/10) + 48); // Hien thi hang chuc

lcd_putch((tmp%10) + 48); // Hien thi hang don vi

GIE = 1; // Cho phep ngat toan cuc }

#define LCD_DATA PORTD

#define LCD_DIR_RS TRISB3

#define LCD_DIR_RW TRISB2

#define LCD_DIR_EN TRISB1

#define LCD_DIR_DATA TRISD

#define LCD_STROBE() ((LCD_EN = 1), NOP(), (LCD_EN=0))

/* write a byte to the LCD in 4 bit mode */ void lcd_write(unsigned char c)

/* write a string of chars to the LCD */

void lcd_puts(const char * s)

{

LCD_RS = 1; // write characters

// Set pins output

Chương 5: Thi công mạch

5.1 Giới thiệu chương:

Sau khi thực hiện việc tính toán thiết kế và viết chương trình sẽ tiến hành thi công mạch thực tế Sử dụng phần mềm Orcad Capture và Orcad layout để vẽ mạch nguyên lý và mạch in

- Mức điện áp DC của tín hiệu nhịp tim khoảng 1,8 V.

- Mức điện áp AC của tín hiệu nhịp tim khi chưa khuếch đại khoảng vài mV

- Điện áp sau khi khuếch đại tầng thứ nhất khoảng vài trăm mV

- Điện áp sau khi khuếch đại tầng thứ 2 và đưa vào vi điều khiển khoảng 2,5 – 3,8 V

5.3 Kết luận chương:

Sau khi thi công lắp ráp và kiểm tra mạch, thấy mạch hoạt động khá giống với lý thuyết tính toán

Kết luận và hướng phát triển đề tài

- Kết luận: Việc thực hiện đề tài đã kiểm chứng được lý thuyết về phương pháp đo nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ hồng ngoại Từ đó có thế thiết kế các máy đo nhịp tim sử dụng phương pháp này để đưa vào sử dụng trong đời sống thực tế

- Hướng phát triển đề tài:

+ Với phương pháp hấp thụ hồng ngoại, ta không chỉ đo nhịp tim mà có thể phát triển để

đo nồng độ bão hòa Oxi trong máu Để đo nồng độ bão hòa Oxi trong máu, ta sử dụng 2 nguồn sáng với các bước sóng khác nhau, việc phân tích cường độ sáng thu được có thể

đo đạc được nồng độ bão hòa Oxi trong máu

+ Ngoài ra cũng có thể phát triển đề tài theo hướng máy đo đạc đa năng với khả năng đo đạc thêm các thông số y sinh khác như huyết áp, thân nhiệt, điện tâm đồ…

Tài liệu tham khảo