Đồ Án VI Xử Lý Máy Đo Nhịp TIm

Máy Đo Nhip Tim Sử Dùng Vi điều khiển msp430G2553 Đồ Án VI Xử Lý Đại Học Bách Khoa Khoa Điện tử Viễn thông Báo Cáo đồ án Vi Xử lý và máy tính. Nội dung đề tài: Tìm hiểu, thiết kế, tính toán và thi công mạch đo nhịp tim Đề tài gồm có 6 chương: + Chương 1: Tìm hiểu về nhịp tim và các phương pháp đo nhịp tim + Chương 2: Sơ đồ khối, chọn linh kiện + Chương 3: Thiết kế và tính toán sơ đồ mạch + Chương 4: Lưu đồ thuật toán + Chương 5: Thi công mạch +Chương 6:Kiểm tra đánh giá mạch Phương pháp nghiên cứu, thực hiện đề tài: tính toán thiết kế mạch, xây dựng các lưu đồ thuật 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 hiển thị lên LED

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

- Đề tài gồm có 6 chương:

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

+ Chương 2: Sơ đồ khối, chọn linh kiện

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

+ Chương 4: Lưu đồ thuật toán

+ Chương 5: Thi công mạch

+Chương 6:Kiểm tra đánh giá mạch

- Phương pháp nghiên cứu, thực hiện đề tài: 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 LED

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN……… 2

TÓM TẮT ĐỀ TÀI ……… ……….3

MỤC LỤC……… ………4

BẢNG PHÂN CHIA CÔNG VIỆC……….6

Chương 1: Tìm hiểu nhịp tim và phương pháp đo nhịp tim bằng hấp thụ quang học 1.1 Giới thiệu chương ……….7

1.2 Tìm hiểu về nhịp tim……….7

1.3 Phương pháp đo nhịp tim bằng hấp thụ quang học……… 8

1.4 Kết luận chương……….10

Chương 2: Sơ đồ khối, chọn linh kiện 2.1 Giới thiệu chương………11

2.2 Sơ đồ khối và chức năng các khối……… ……11

2.3 Chọn linh kiện sử dụng cho các khối……… ….12

2.4 Kết luận chương……… …16

Chương 3: Thiết kế và tính toán sơ đồ mạch 3.1 Giới thiệu chương………17

3.2 Thiết kế, tính toán khối nguồn………17

3.3 Thiết kế, tính toán khối cảm biến………18

3.4 Thiết kế, tính toán khối lọc và khuếch đại……… ………19

3.5 Thiết kế, tính toán khối xử lý trung tâm và khổi hiển thị………21

3.6 Kết luận chương……… …22

Chương 4: Lưu đồ thuật toán 4.1 Giới thiệu chương………23

4.2 Lưu đồ thuật toán chương trình chính……… 23

4.3 Lưu đồ thuật toán chương trình đếm nhịp tim ……… 24

4.4 Lưu đồ thuật toán hiển thị … ………25

4.5 Kết luận chương……….……26

Chương 5: Thi công mạch 5.1 Giới thiệu chương………27

5.2 Lắp ráp và kiểm tra mạch……… 27

5.3Mô Hình……… ……28

5.4 Kết luận chương……… ….28

Chương 6: Kiểm tra và đánh giá 6.1 Kiểm tra……… 29

6.2 Đánh giá……… 30

6.3 Kết luận và hướng phát triển đề tài……….30

PHẦN PHỤ LỤC………31

Tên đề tài Tên thành viên

Máy Đo Nhịp Tim

Lê Văn TrìnhNguyễn Tùng DươngNguyễn Quốc Huy

hiện

Mức độ hoàn thành

3/3/2015

-4/6/2015

Vẽ layout và thi công phần mạch trungtâm, mạch lọc và khuếch đại Đo đạckiểm tra khối mạch lọc và khuếch đại

Viết chương trình phần chương trìnhchính và chương trình con ngắt và

TIMER

Lê VănTrình 90%

Vẽ layout và thi công mạch hiển thị

Viết chương trình con hiển thị.Đóngkhung mô hình, trang trí

NguyễnTùng Dương 90%

Vẽ layout và thi công phần khối cảmbiến và khối nguồn Đo đạc kiểm trakhối hiển thị Đóng khung mô hình,

trang trí

NguyễnQuốc Huy 90%

Chương 1: TÌM HIỂU VỀ NHỊP TIM VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO NHỊP TIM

BẰNG PHƯƠNG PHÁP 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

-Nhịp tim bình thường

Đối với người độ tuổi từ 18 trở lên, nhịp tim bình thường khi nghỉ ngơi từ 60 đến 100 nhịp mỗi phút Thông thường người càng khỏe mạnh, nhịp tim càng thấp Một vận động viên chuyên nghiệp khi ở chế độ xả hơi nhịp tim của họ chỉ khoảng 40 nhịp một phút Ví như nhà vô địch đua xe đạp Lance Armstrong, nhịp tim bình thường của anh là 32 nhịp mỗi phút

Theo cơ quan y tế quốc gia vương quốc Anh, dưới đây là tiêu chuẩn nhịp tim lý tưởng của từng lứa tuổi: Bé sơ sinh: 120-160 nhịp một phút; Bé tuổi từ 1 tháng -12 tháng: 80-140; Trẻ từ 1 đến 2 năm: 80-130; Trẻ từ 2 đến 6 tuổi: 75-120; Trẻ từ 7 đến 12 tuổi: 75-110; Người lớn từ 18 tuổi trở lên: 60-100; Vận động viên: 40-60

Nhịp tim của chúng ta có thể bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố, chẳng hạn như: Mức độ hoạt động thể chất vào thời điểm đó; Tình trạng sức khỏe; Nhiệt độ môi trường xung quanh; Tư thế (đứng, ngồi, nằm); Trạng thái tinh thần hoặc cảm xúc (ví như sự phấn khích, giận dữ, sợ hãi, lo lắng, và các yếu tố khác đều có thể làm tăng nhịp tim); ảnh hưởng của một số loại thuốc…

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

- 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 ánh sáng 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:

KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM KHỐI CẢM BIẾN NHỊP TIM KHỐI LỌC VÀ KHUYẾCH ĐẠI

KHỐI HIỂN THỊ KHỐI NGUỒN CUNG CẤP

- 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, CHỌN LINH KIỆN

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:

Hình 2.1: Sơ đồ khối

2.2.2 Chức năng các khối:

- Khối cảm biến nhịp tim: cảm biến nhịp đập của tim

- 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 MSP430G2553:

- 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 2.2:Sơ đồ chân MSP430G2553

*Giới thiệu tổng quan về vi xử lý MSP430G2553:

Các dòng vi điều khiển msp430 này do hãng TI ( Texas Instruments) sản xuất

Vi điều khiển( Micro controller unit – MCU ) là đơn vị xử lý nhỏ, nó được tích hợp toàn

bộ các bộ nhớ như ROM , RAM , các port truy xuất , giao tiếp ngoại vi trực tiếp trên 1 con chip hết sức nhỏ gọn Được thiết kế dựa trên cấu trúc VON-NEUMAN , đặc điểm của cấu trúc này là chỉ có duy nhất 1 bus giữa CPU và bộ nhớ (data và chương trình) , do

đó mà chúng phải có độ rộng bit tương tự nhau

MSP430 có một số phiênbản như: MSP430x1xx, MSP430x2xx, MSP430x3xx,

MSP430x4xx, MSP430x5xx Dưới đây là những đặc điểm tổng quát của họ vi điều khiểnMSP430:

+ Cấu trúc sử dụng nguồn thấp giúp kéo dài tuổi thọ của Pin

-Duy trì 0.1µA dòng nuôi RAM

-Chỉ 0.8µA real-time clock

-250 µA/ MIPS

+ Bộ tương tự hiệu suất cao cho các phép đo chính xác

-12 bit hoặc 10 bit ADC-200 kskp, cảm biến nhiệt độ, Vref ,

-12 bit DAC

-Bộ giám sát điện áp nguồn

+ 16 bit RISC CPU cho phép được nhiều ứng dụng, thể hiện một phần ở kích thước Codelập trình

-Thanh ghi lớn nên loại trừ được trường hợp tắt nghẽn tập tin khi đang làm việc

-Thiết kế nhỏ gọn làm giảm lượng tiêu thụ điện và giảm giá thành

-Tối ưu hóa cho những chương trình ngôn ngữ bậc cao như C, C++

-Có 7 chế độ định địa chỉ

-Khả năng ngắt theo véc tơ lớn

+ Trong lập trình cho bộ nhớ Flash cho phép thay đổi Code một cách linh hoạt, phạm vi rộng, bộ nhớ Flash còn có thể lưu lại như nhật ký của dữ liệu

Sau đây là bảng chức năng của mỗi chân:

Hình 2.3.a:Bảng chức năng mỗi chân của MSP430G2553

Hình 2.3.b:Bảng chức năng mỗi chân của MSP430G2553

2.3.2 Chọn LED 7đoạn hiển thị kết quả:

Ta chọn 3 Led 7 đoạn để hiển thị số nhịp tim trên 1 phút

2.3.3 Chọn linh kiện khối cảm biến nhịp tim:

- 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 LM358

Chương 3: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN

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:

3.2.1 Sơ đồ mạch:

Hình 3.1: Khối nguồn 5V

3.2.2 Tính toán linh kiện:

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

Dùng Tụ C7 để lọc tín hiệu ngõ vào, chọn giá trị là 0.1uF

Dùng tụ C8=0.1uF và tụ C9=1000uF để lọc tín hiệu ngõ ra

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 3.2: Sơ đồ mạch khối cảm biến.

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

- Điện áp trên R1 : VR1 = Vcc-VD1

+ Nhịp tim con người ở trạng thái bình thường từ 60 – 160 nhịp tuy nhiên với các vận động viên thì nhịp tim từ 40- 60 nhịp, đối với những người có bệnh về tim mạch thì nhịp tim dao động từ 40- 160 nhịp.

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 R9= 220 Ω để phân cực cho Led D3

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

Các điện trở R8, R9, R10 có giá trị 4.7K và điện trở treo R11, R12, R13 có giá trị 4.7K đảm bảo transitor luôn hoạt động ở chế độ ngắt/dẫn(đảm bảo khi led 7 đoạn đang ở trạng thái OFF sẽ bị tắt hoàn toàn, không bị sáng mờ mờ).

3.6 Kết luận chương

Ở chương này chúng ta đã xây dựng được mạch nguyên lý cho đồ án.Tính toán được chi tiết các linh kiện cần sử dụng

Chương 4: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN

4.1 Giới thiệu chương:

Khởi tạo các biến

Lấy dữ liệu từ chương trình con xử lý ngắt

Tính toán tần số nhịp tim

Hiển thị lên led 7 đoạn

- 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 chương trình ngắt đếm nhịp tim:

Hiển thị hàng đơn vị Delay

Kết thúc

Tắt hiển thị hàng đơn vị

i++

Delay Tắt hiển thị hàng chục

Delay

Delay Tắt hiển thị hàng trăm Hiển thị hàng chục

i<1000

i=0 Tách số hàng trăm, chục , đơn vị

Bắt đầu

S

ĐĐ

Hình 4.2: Lưu đồ thuật chương trình ngắt

4.4 Lưu đồ thuật toán chương trình hiển thị (quét led):

Đ

Hình 4.3: Lưu đồ thuật toán chương trình hiển thị

Sau khi xây dựng sơ đồ thuật toán, ta có thể sử dụng ngôn ngữ lập trình C để viết chươngtrình cho vi điều khiển Có thể sử dụng một số phần mềm biên dịch phổ biến khi lập trìnhcho MSP430 như ASM, C++…

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 Proteus Capture và Proteus Ares để vẽ mạch nguyên lý và mạch in.

Sau khi lắp ráp mạch, nạp chương trình, kiểm tra được:

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

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

Bảng 6.1: Nhịp tim ở trạng thái nghỉ ngơi

Trạng thái : Sau khi hít đất 10 cái

Họ Tên GiớiTính Tuổi

Lần1

Lần2

Lần3

Lần1

Lần2

Lần3

Lê Văn Trình Nam 21 105 101 97 107 105 104 105 102 99Nguyễn Tùng Dương Nam 21 95 97 96 99 101 98 95 94 95Nguyễn Quốc Huy Nam 22 100 103 99 106 105 105 101 99 99

Bảng 6.2: Nhịp tim ở trạng thái sau khi hít đất 10 cái

Trạng thái : Sau khi chạy bộ 100m

Họ Tên GiớiTính Tuổi

Bảng 6.2: Nhịp tim ở trạng thái sau khi chạy bộ 100m

6.2 Đánh giá:

- Nhịp tim người sức khỏe bình thường từ 60-100 lần/ 1 phút Máy đo nhịp tim

đã hiển thị đúng số nhịp tim trong 1 phút

- Nhịp tim người buổi trưa đập nhanh hơn buổi sang và buổi tối do nhiệt độ buổitrưa lớn hơn nên tiêu hao năng lượng nhiều hơn nên tim đập mạnh hơn để bơmoxy

- Tương tự, khi chúng ta vừa chạy bộ hoặc làm việc nặng xong thì cơ thể cần rất nhiều oxy nên tim chúng ta khi đó đập rất nhanh

6.3 Kết luận và hướng phát triển đề tài:

- Kết luận: Việc thực hiện đề tài đã kiểm chứng được lý thuyết về phương pháp đonhịp 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…

3 unsigned int nhiptim=0;

4 unsigned int dem;

5 int k=0;

6 void hienthi(unsigned int x)

7 { unsigned int tram=x/100;

8 unsigned int x1=x%100;

9 unsigned int chuc=x1/10;

10 unsigned int donvi=x1%10;

11 for(int j=0;j<1000;j++)

12 {

13 P2OUT &=~ BIT1 ;//P2.1=0, bat BJT DK hang tram

14 P1OUT=so[tram];//xuat du lieu ra

15 delay_cycles(5000);//thoi gian hien thi

16 P2OUT |= BIT1 ;//tat

17 P2OUT &=~ BIT2 ;//P2.2=0 bat BJT DK hang chuc

18 P1OUT=so[chuc];//xuat du lieu ra

19 delay_cycles(5000);//thoi gian hien thi

20 P2OUT |= BIT2 ;//tat

21 P2OUT &=~ BIT4 ;//P2.4=0 bat BJT DK hang don vi

22 P1OUT=so[donvi];//xuat du lieu ra

23 delay_cycles(5000);//thoi gian hien thi

24 P2OUT |= BIT4 ; //tat

72 P1DIR |= BIT0 + BIT1 + BIT2 + BIT3 + BIT4 + BIT5 + BIT6 ;//output

73 P2DIR |= BIT1 + BIT2 + BIT4;//output

74 P2IE |= BIT0; // P2.0 interrupt enabled

75 P2IES |= BIT0; // P2.0 Hi/lo edge

76 P2IFG &= ~BIT0; // P2.0 IFG cleared

77 _BIS_SR(GIE); //BAT NGAT DEM NHIP TIM

78 P2DIR &= ~BIT3;

79 while(1)

80 {

81 while((P2IN&BIT3));

82 for(int i=0;i<400;i++);