Đồ Án Mạch Đo Nhịp Tim ( PIC16F877A)

Phần 1: Lý ThuyếtChương 1: Tìm hiểu về nhịp tim và Phương pháp đo nhịp tim 1.1 Giới thiệu chương: Chương này sẽ tìm hiểu về nhịp tim và đo nhịp 1.2 Tìm hiểu về nhịp tim: - Khái niệm: Nhị

Phần 1: Lý Thuyết

Chương 1: Tìm hiểu về nhịp tim và Phương pháp đo nhịp tim

1.1 Giới thiệu chương:

Chương này sẽ tìm hiểu về nhịp tim và đo nhịp

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 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

- 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 có thể 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:

Vi điểu khiển

- 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 điềukhiển xử lý

- Khối xử lý trung tâm: dùng để xử lý các tín hiệu vào và xuất tín hiệu ra,điều khiểnmọi 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 cảm biến:

Dùng cảm biến nhịp tim:

Mặt trước cảm biến Mặt sau cảm biến Nhìn tổng thể cảm biến

Cảm biến hoạt động dựa trên một sensor quang đo nhịp tim cùng với bộ khuếch đại tín hiệu và lọc nhiễu

Thông số kỹ thuật:

- Nguồn: 3 – 5V

- Dòng tiêu thụ: < 4mA

- Ngõ ra: Analog

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

*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

- 368x8 bytes RAM

- 256x8 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

- Điện áp vào mức cao VIH 2.2V đến Vcc

- 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

+ Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bêntrong 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” đểLCD ở chế độ đọc

6 E Chân cho phép (Enable) Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus

DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phépcủa chân E

+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào(chấpnhận) thanh ghi bên trong nó khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E

+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi pháthiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ

ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp

7 - 14 DB0

-DB7

Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU

Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này :+ Chế độ 8 bit : Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bitMSB là bit DB7

+ Chế độ 4 bit : Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tớiDB7, bit MSB là DB7

15 - Nguồn dương cho đèn nền

Quá trình xây dựng sơ đồ khối là việc làm đầu tiên và có lẽ là quan trọng nhất của bất kì đồ án nào.

Nó cho ta thấy rõ được tính khả thi cũng như cái nhìn trực quan nhất về những việcmình cần làm tiếp theo

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

+ 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 R10 = 1k Ω để phân cực cho Led D1

3.3 Thiết kế, tính toán khối xử lý trung tâm và khổi 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

4.5 Code lập trình:

- Sử dụng ngôn ngữ lập trình Hi-Tech C, phần mềm biên dịch MPLABXIDE.

#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

while(*s)

lcd_write(*s++);

/* write one character to the LCD */

unsigned long time_tmp = 0x00;

unsigned char index = 0x00;

void timer0_config();

void interrupt ISR()

{

/* Ngat ngoai INT0 */

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

lcd_init(); // Khoi tao LCD

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 = sum/MAX_SAMPLE; // Gia tri thoi gian trung binh

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);

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

delay_ms(600);

}

}

// Thiet lap Timer0

void timer0_config()

{

TMR0 = 0x00; // Xoa gia tri thanh ghi TMR0

TMR0IE = 0; // Khong cho phep ngat Timer0

OPTION_REG = 0xC7; // Thiet lap thanh ghi Option

TMR0IE = 1; // Cho phep ngat Timer0

GIE = 1; // Cho phep ngat toan cuc

}

5 Kết luận chương:

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

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

5.1 Layout:

Hình 5.1: Layout mạch

5.2 Một số hình ảnh trong quá trình thi công

Hình 5.2 Hình ảnh 3D của mạch

Hình 5.3 Mạch in dùng in trực tiếp lên phím đồng

Hình 5.4 Mạch in dùng in giám tiếp qua giấy sau đó là nhiệt lên phím đồng

Hình 5.5 Mạch đã in ra giấy Hình 5.6 Là mạch in lên phíp đồng

Hình 5.7 Mạch sau khi ăn mòn Hình 5.8 Mạch đã hoàn thiện

Hình 5.9 Test thử mạch trên board test Hình 5.10 Test trên mạch đã hoàn thiện

5.2 Lắp ráp và kiểm tra mạch:

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

- 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

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…+ Có thể phát triển lựa chọn linh kiện dán và LCD nhỏ hơn để thu gọi diện tích mạch in và có thể tích hợp thành một thiết bị đeo tay để kiểm soát nhịp tim nhỏ gọn…

Tài liệu tham khảo: Internet