Nghiên cứu khả năng đo nồng độ oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thu ánh sáng

1.1 Huyết áp, nhịp tim và các phương pháp đo 5 1.1.1 Khái niệm về huyết áp và nhịp tim .5 1.1.2 Đo nhịp tim bằng phương pháp Oscillometric 6 1.1.3 Tổng quan hệ đo 7

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới TSKH Nguyễn Phú Thùy, người đã tận tình chỉ bảo và tạo mọi điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình làm khóa luận

GS-Em xin cảm ơn TS Nguyễn Thăng Long, anh Bùi Thanh Tùng, anh Đặng Anh Việt, những người đã có những đóng góp hết sức quý báu giúp em hoàn thành khóa luận một cách tốt nhất

Tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè, những người đã luôn ở bên cạnh giúp đỡ, động viên tôi hoàn thành khóa luận này

Một hệ thống như vậy sẽ được phát triển bởi nhiều người và sẽ không giới hạn số lượng các thông số có thể đo được

Nội dung của khóa luận này được chia thành 2 phần

Phần 1: Trình bày về một phương pháp đo nhịp tim mà không ảnh hưởng tới sự lưu thông của máu

Phần 2: Nghiên cứu phương pháp hấp thụ quang học để xác định nồng độ bão hòa của Oxi trong máu

Cuối cùng là một số kết luận và đánh giá

Mục lục

LỜI MỞ ĐẦU 4

PHẦN 1 ĐO NHIP TIM BẰNG PHƯƠNG HẤP THỤ QUANG HỌC 5

1.1Huyết áp, nhịp tim và các phương pháp đo 5

1.1.1Khái niệm về huyết áp và nhịp tim 5

1.1.2Đo nhịp tim bằng phương pháp Oscillometric 6

1.1.3Tổng quan hệ đo 7

1.1.3.1Hệ thống đo các thông số bệnh nhân đã được xây dựng 7

1.1.3.2Một vài nhận xét về kết quả đo nhịp tim của hệ thống trên 11

1.2Đo nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ quang học 11

2.1.1Sự cần thiết của Oxi trong máu 26

2.1.2Sự vận chuyển khí O2 của máu 26

2.2Một số khái niệm 26

2.2.1Nồng độ bão hòa của Oxi trong máu 26

2.2.2Tại sao cần phải xác định nồng độ bão hòa của Oxi trong máu 27

2.3Các phương pháp đo nồng độ Oxi trong máu 27

2.4Nguyên lý Oximetry về sự hấp thụ ánh sáng của máu 27

2.5Nguyên lý của Pulse Oximetry 30

2.6Tính nồng độ bão hòa của Oxi trong máu 33

2.6.1Sơ đồ khối và chức năng 34

2.6.2Sơ đồ nguyên lý hệ đo 35

2.6.3Sơ đồ khối Pulse Oximeter sử dụng Psoc 41

KẾT LUẬN 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

LỜI MỞ ĐẦU

Huyết áp, nhịp tim là những thông số quan trọng của cơ thể người Khi một bệnh nhân đến khám bệnh thì công việc đầu tiên của các bác sỹ thường là kiểm tra huyết áp, nhịp tim, và trong suốt quá trình điều trị thì các thông số này cũng thường xuyên được thu thập, kiểm tra Công việc tưởng chừng như rất đơn giản nhưng trên thực tế lại rất có ý nghĩa trong công tác chuẩn đoán và điều trị cho bệnh nhân, đặc biệt là với những người có bệnh về tim mạch và các bệnh nhân hậu phẫu

Ngày nay cùng với sự phát triển của xã hội, nhiều căn bệnh mới cũng được phát hiện Trong số đó có một số căn bệnh rất nguy hiểm, đe doạ sức khoẻ cộng đồng Đặc biệt nguy hiểm đối với các nhân viên y tế, những người phải thường xuyên tiếp xúc với bệnh nhân

Năm 2004 khóa luận tốt nghiệp của anh Bùi Thanh Tùng đã trình bày cách xây dựng một hệ đo huyết áp và nhịp tim của bệnh nhân từ xa Đây là một khóa luận đã trình bày rất kỹ về lý thuyết cũng như thực nghiệm và kết quả đo được rất khả quan đủ chính xác để có thể đem ứng dụng ngay trong các trung tâm y tế hay trong bệnh viện Sai số của phép đo nhịp tim trong hệ đo này tối đa là 3 nhịp,nhưng vì nhịp tim là một giá trị nhất thời, bị ảnh hưởng nhiều bởi trạng thái tâm lý của bệnh nhân lúc đo nên sai số này hoàn toàn có thể chấp nhận được

Với mục đích của những người thiết kế hệ đo này : Một hệ thống tin cậy có thể đo được nhiều thông số của bệnh nhân, do đó nó cần được phát triển để cho ra kết quả chính xác nhất Nội dung của khóa luận này trình bày một phương pháp khác, một cải tiến để đo nhịp tim chính xác hơn

Ngoài ra bản khóa luận còn trình bày cách xây dựng một thiết bị đo nồng độ bão hòa của Oxi trong máu - Nhằm bổ sung thêm một chức năng mới cho hệ thống đo các thông số của bệnh nhân

ĐO NHIP TIM BẰNG PHƯƠNG HẤP THỤ QUANG HỌC

1.1.1 Khái niệm về huyết áp và nhịp tim

¸p suÊt

thêi g

Ống nghe Động mạch

Bao khíhiển thị

Hinh 2 Dạng tín hiệu nhịp đập của tim Hình 1 Nguyên tắc đo huyết áp

Theo y học, huyết áp là áp suất mà máu tác dụng lên thành mạch máu Thông thường người ta thường đo áp suất máu tác dụng lên thành động mạch (arterial blood pressure) Ngoài ra trong một số trường hợp người ta còn đo cả huyết áp tĩnh mạch (venous pressure), huyết áp trong tĩnh mạch trung tâm (central venous pressure - CVP), huyết áp động mạch phổi (pulmonary artery pressure), huyết áp trong tim (intracardiac blood pressure)… Tuy nhiên khi nói đến đo huyết áp thì người ta chủ yếu muốn nói đến việc đo áp suất mạch máu tác dụng lên động mạch

Trước tiên ta tìm hiểu về cơ chế sinh lý của tim Khi tim co bóp nó sẽ đẩy máu đi khắp cơ thể Trước tiên, tim giãn ra dồn máu vào (thời điểm T1 trên hình 2), lúc này áp suất của máu trong động mạch là nhỏ nhất-huyết áp tâm trương (Diastolic Presure-

DP) Tiếp theo, tim co bóp dồn máu đi, đây là thời điểm áp suất tác dụng lên thành mạch lớn nhất (thời điểm T2 trên hình 2) Giá trị huyết áp này được gọi là huyết áp tâm thu (Systolic Presure-SP) Hai giá trị này rất quan trọng trong công tác chẩn đoán bệnh, nhất là các bệnh về tim mạch Khi đo huyết áp, chủ yếu người ta đo hai giá trị này

Một thông số nữa cùng thông số huyết áp giúp các bác sỹ chuẩn đoán tình hình sức khoẻ của bệnh nhân đó là thông số nhịp tim Nhịp tim được xác định là số lần đập của tim trong một phút Thông thường khi xác định huyết áp, người ta xác định kèm theo thông số nhịp tim Công việc này thực hiện đơn giản bằng cách đếm nhịp tim và lấy trung bình số lần tim đập trong một phút

1.1.2 Đo nhịp tim bằng phương pháp Oscillometric

Thông thường nhịp tim được đo cùng với huyết áp do đó phương pháp đo nhịp tim thường gắn liền với phương pháp đo huyết áp

Cách đo huyết áp - nhịp tim theo như sau:

Phương pháp Ocillometric:

Quá trình đo được thực hiện theo trình tự: người ta dùng một bao khí có gắn sensor đo áp suất, quấn quanh bắp tay của người cần đo (nơi có động mạch chạy qua) Vị trí, tư thế của người cần đo huyết áp cũng phải đúng, cụ thể là bắp tay nơi quấn bao khí phải đặt ngang tim Trước tiên bao khí được bơm căng lên để áp suất trong bao cao hơn huyết áp cao nhất (thông thường bơm lên cỡ 180 mmHg là đủ, đặc biệt những người già có thể phải bơm lên cỡ 200 mmHg) Lúc này động mạch bị bao khí chẹn lại, máu không chảy được trong động mạch ở chỗ bị quấn bao khí (như mô tả trên hình 1) Tiếp theo người ta xả từ từ khí trong bao ra Khi áp suất trong bao lớn hơn huyết áp cao nhất thì máu không thể lưu thông trong động mạch Chỉ khi áp suất trong bao cân bằng với áp suất của máu trong động mạch thì trong động mạch máu mới được lưu thông và lúc này áp suất ở trong bao khí mới bắt đầu thay đổi theo nhịp đập của tim,do đó tín hiệu điện mà sensor áp suất đưa ra cũng thay đổi đồng bộ với nhịp tim.Chu kỳ thay đổi của tín hiệu điện này đúng bằng chu kỳ nhịp tim

Do đó với phương pháp này có thể đo nhịp tim bằng cách đếm số chu kỳ này trong một khoảng thời gian nhất định sau đó chia số đếm được cho khoảng thời gian đếm.Phương pháp đơn giản tuy nhiên độ chính xác sẽ không cao nếu đếm trong thời gian không đủ lớn

AntenaBiến đổi

tương tự Cảm

Bao khí

Tín hiệuhuyết áp

số

Hỡnh 3 Sơ đồ khối module đo từ xa

M o d u l e t h up h á t k h ô n g d â y

M ạ c h đ oM o d u l e t h up h á t k h ô n g d â yM ạ c h đ o

M o d u l e t h up h á t k h ô n g d â y

M ạ c h đ oM o d u l e t h up h á t k h ô n g d â y

M ạ c h đ oM o d u l e t h up h á t k h ô n g d â yM ạ c h đ o

M o d u l e t h up h á t k h ô n g d â y

Hỡnh 4 Cấu trỳc tổng quan hệ đo huyết ỏp và nhịp tim từ xa

Khi cần đo cỏc thụng số huyết ỏp, nhịp tim của một bệnh nhõn nào đú, nhõn viờn y tế thụng qua mỏy tớnh trung tõm sẽ gửi lệnh tới module đo của bệnh nhõn tương ứng Module đo sẽ tự động thu thập cỏc thụng tin cần thiết và gửi về mỏy tớnh trung tõm qua cỏc module thu phỏt khụng dõy Với hệ thống này, bỏc sỹ khụng những khụng cần phải đến tận giường bệnh nhõn mà cũn cú thể kiểm tra, thu thập số liệu về huyết ỏp, nhịp tim của một số lượng bệnh nhõn trong một thời gian ngắn

Hỡnh 2 chỉ ra sơ đồ khối mụ tả cấu trỳc của một module thực hiện việc đo huyết ỏp, nhịp tim từ xa Khi nhận được tớn hiệu yờu cầu đo huyết ỏp, nhịp tim từ trung

tâm, module đo sẽ thực hiện một lần đo Tín hiệu huyết áp từ động mạch thông qua bao khí được truyền tới vi cảm biến áp suất, vi cảm biến áp suất sẽ biến đổi thành dạng tín hiệu điện rồi đưa tới bộ biến đổi tương tự số Bộ biến đổi tương tự-số sẽ biến đổi tín hiệu điện thu được từ cảm biến thành tín hiệu số rồi chuyển cho vi điều khiển xử lý Vi điều khiển xử lý tín hiệu thu được, xác định huyết áp cao nhất, thấp nhất,nhịp tim rồi gửi kết quả về cho máy tính trung tâm Hệ thống hoạt động như sau:

Các module đo có thể hoạt động ở một trong hai chế độ: tự động hoàn toàn hoặc bán tự động Với những bệnh nhân vẫn còn đủ sức khoẻ và tỉnh táo thì có thể thiết lập cho module đo hoạt động ở chế độ bán tự động, tức là việc đo huyết áp, nhịp tim được thực hiện với sự phối hợp của người bệnh Với trường hợp bệnh nhân không đủ khả năng phối hợp với các bác sĩ thì module được thiết lập để có thể đo được hoàn toàn tự động Việc thiết lập để module hoạt động ở chế độ nào có thể thực hiện ở thời điểm ra lệnh đo trên máy tính trung tâm

Cảm biến áp suất được dùng cho hệ thống trên là MPX10, đây là sản phẩm của hãng Motorola, được chế tạo dựa trên nguyên lý áp trở theo công nghệ MEMS Cảm biến có điện áp lối ra tỉ lệ tuyến tính với áp suất lối vào và độ chính xác cao

Hình 5 Đáp ứng Điện áp – áp suất của cảm biến MPX10

Sau đây là sơ đồ khối của mạch đo nhịp tim :

Tớn hiệu ỏp ấ

Cảm biến Tiền khuyếch đại và

dịch mức

Lọc bỏ thành phần một chiều và nhiễu

Khuyếch đại và tạo dạng

Lọc và đếm xung ( Vi điều khiển )

Hiển thị kết quả

( LCD )

Hỡnh 6 Sơ đồ khối của mạch đo nhịp tim dựng cảm biến ỏp suất

Có nhịp timStart

Có sườn lên của xung

Start bộ đếm

Có sườn lên của xungtiếp theo

Stop bộ đếm, tính ra chukỳ tín hiệu

Hỡnh 7 Lưu đồ thực hiện đo nhịp tim

Khối tiền khuyếch đại: tín hiệu thu được từ cảm biến trước tiên được đưa vào mạch tiền khuyếch đại

Khối khuyếch đại và dịch mức tín hiệu: tín hiệu lối ra của khối tiền xử lý sẽ được khuếch đại và dịch mức cho phù hợp với lối vào của bộ biến đổi ADC

Bộ lọc thông cao: nhằm loại bỏ nền một chiều của tín hiệu, chỉ cho những tín hiệu biến thiên đi qua

Khối khuyếch đại và tạo dạng: tín hiệu thu được tại lối ra của bộ lọc rất nhỏ nên tiếp đó tín hiệu được đưa qua bộ khuếch đại dùng khuếch đại thuật toán

Tiếp đó, tín hiệu được đưa qua bộ tạo dạng nhằm vuông hóa, đồng thời loại bỏ được nhiễu,do tác dụng của ngưỡng so sánh nên chỉ có những tín hiệu nhịp đập thật sự mới cho lối ra có tín hiệu Tín hiệu từ đây được đưa tới bộ đếm để xác định nhịp tim

Lưu đồ của quá trình đo nhịp tim như trên hình 7

Để xác định số lần tim đập trong một phút ta đo chu kỳ của tín hiệu mạch đập Việc đo chu kỳ của tín hiệu được thực hiện hoàn toàn bằng phần mềm Để nâng cao độ chính xác của phép đo, phần mềm thực hiện đo chu kỳ trung bình bằng cách tính khoảng thời gian giữa hai xung của một số cặp xung rồi chia trung bình Ở vi điều khiển cũng có thể coi là có một bộ lọc bằng phần mềm Bằng cách phân tích tín hiệu nhịp tim ta thấy rằng nhịp tim thông thường không nhỏ hơn 50 và không quá 200 nhịp một phút Trên cơ sở đó, bằng phần mềm ta có thể loại ngay những chu kỳ đo được gây ra bởi nhiễu Việc kết hợp lọc cả bằng phần cứng lẫn phần mềm làm tăng thêm độ chính xác của phép đo Lưu đồ thục hiện việc xác định nhịp tim được mô tả trên hình 8 Quá trình trên được thực hiện thông qua các ngắt tuy nhiên để thuận tiện cho việc giải thích, lưu đồ thực hiện một lần đo chu kỳ của tín hiệu nhịp tim được chỉ ra như ở hình trên Chân ngắt của vi điều khiển luôn sẵn sàng chờ tín hiệu nhịp tim tác dụng Khi có tín hiệu tác dụng vào chân này (cụ thể là khi có sườn lên của xung), bộ định thời sẽ được khởi phát Xung nhịp tác dụng tới bộ định thời là xung nhịp nội với chu kỳ là 128µs Tiếp đó vi điều khiển sẽ lại tiếp tục chờ ngắt tiếp theo Khi có ngắt tiếp theo tác dụng tức là có tín hiệu nhịp tim tiếp theo, vi điều khiển sẽ lập tức dừng bộ định thời, căn cứ vào số đếm ban đầu (bằng 0) và số đếm hiện tại, cùng với chu kỳ của xung nhịp tác dụng (128 µs) có thể dễ dàng tính ra chu kỳ của tín hiệu nhịp tim Chu kỳ này sẽ được kiểm tra, nếu nằm trong khoảng cho phép thì giá trị này sẽ được lưu lại, nếu không nó sẽ bị huỷ Việc đo chu kỳ được thực hiện lặp lại một số lần (cụ thể là

5 lần) rồi các kết quả này được tính trung bình Từ giá trị trung bình này ta tính ra được nhịp tim của người đo tại lúc đo

1.1.3.2 Một vài nhận xét về kết quả đo nhịp tim của hệ thống trên

Với phương pháp mô tả trên,do có lọc nhiễu bằng cả phần cứng lẫn phần mềm nên độ chính xác của phép đo khá cao

Tuy nhiên vì phương pháp Ocillometric chủ yếu để đo huyết áp nên phải dùng bao khí để chặn nghẽn dòng máu trong động mạch nơi khuỷu tay lại nên mạch đập của tim nhận được sẽ bị sai khác so với bình thường Sai khác này khá nhỏ nhưng ít nhiều vẫn ảnh hưởng tới độ chính xác của kết quả đo nhịp tim

Vậy để đo nhịp tim, thay cho phương pháp cảm biến áp suất nếu bằng một phương pháp cảm biến nào đó để lấy được tín hiệu đồng bộ với nhịp tim mà không hề ảnh hưởng tới sự lưu thông máu tại nơi cảm biến thì sẽ càng nâng cao độ chính xác cho phép đo

Do đó mục đích của bài khóa luận này là trình bày một phương pháp cảm biến khác với cảm biến áp suất để đo nhịp tim mà không tác động vào sự lưu thông máu Tiếp theo em xin trình bày về phương pháp hấp thụ quang học để đo nhịp tim

1.2 Đo nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ quang học

Có một phương pháp có thể nhận được tín hiệu đồng bộ với xung của nhịp tim mà không làm ảnh hưởng tới sự lưu thông của máu tại nơi cảm biến đó là dùng cảm biến quang học Phương pháp cảm biến này như sau:

Như đã trình bày ở trên khi tim co bóp nó sẽ đẩy máu đi khắp cơ thể, khi tim giãn ra dồn máu vào trong nó, lúc này áp suất của máu trong động mạch giảm đi và khi tim co lại áp suất trong động mạch tăng lên Chính sự thăng giáng áp suất máu này 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 động mạch sẽ biến thiên đồng bộ với nhịp tim

Khi tim giãn ra, áp suất máu 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, áp suất máu lớn, ánh sáng sau khi truyền qua được động mạch sẽ có cường độ nhỏ hơn

Hình 9 Sự hấp thụ ánh sáng khi truyền qua ngón tay

Hình 8 Sự truyền ánh sáng qua động mạch

Bố trí một Photodiode để nhận ánh sáng sau khi truyền qua động mạch thì ta có thể nhận được tín hiệu điện biến thiên đồng bộ với nhịp đập của tim

Với cách giải thích như trên, để tăng độ chính xác của tín hiệu thì nguồn sáng phải phát ra ánh sáng với cường độ không đổi theo thời gian

Về nguyên tắc có thể đặt nguồn sáng và Photodiode ở bất cứ nơi nào trên cở thể mà có chứa động mạch Nhiễu của ánh sáng môi trường vào Photodiode có thể coi là không đổi nên phép đo sẽ càng tin cậy nếu như tín hiệu ánh sáng Photodiode nhận được là lớn nhất

Nếu đặt cảm biến ở khuỷu tay hay cổ tay thì sẽ có lợi là áp suất máu trong động mạch biến động rất lớn, nhưng do ánh sáng phải truyền qua một bề dày lớn của

cơ thể nên bị hấp thụ quá nhiều bởi mô và xương, mà độ nhạy của Photodiode có giới hạn do đó để thu được kết quả mong muốn, cường độ nguồn sáng phải khá lớn, như vậy sẽ hao phí năng lượng và rất khó ổn định được cường độ nguồn sáng

Nếu đặt cảm biến ở vành tai - một nơi mà ánh sáng chỉ cần đi qua một bề dày rất nhỏ của cơ thể, sẽ có lợi là cường độ ánh sáng Photodiode nhận được khá lớn nhưng do động mạch ở đây quá bé, mức độ biến thiên cường độ ánh sáng nhận được là quá nhỏ so với toàn bộ ánh sáng nhận được, nên tín hiệu điện nhận được không đủ độ tin cậy

LED

Photodiode

Hình 10 Vị trí đặt nguồn sáng và cảm biến

Vị trí đặt nguồn sáng và Photodide hợp lý nhất: đó là đầu các ngón tay Tuy động mạch ở đây không lớn nhưng quãng đường ánh sáng phải truyền qua lại không nhiều nên chỉ cần dùng một LED để làm nguồn sáng, kết quả mức độ biến thiên cường độ sáng nhận được là khá lớn so với toàn bộ ánh sáng nhận được, tỷ số giữa biên độ tín hiệu với nền một chiều đủ lớn để phần xử lý tín hiệu hoạt động đưa ra kết quả được chính xác nhất

Khi ánh sáng truyền qua đầu ngón tay, nó chỉ bị hấp một phần nhỏ bởi động mạch, còn phần lớn bị hấp thụ bởi mô và xương nhưng một điều may mắn là hệ số hấp thụ của mô và xương đối với ánh sáng là hầu như không đổi theo thời gian, nên cường độ ánh sáng Photodiode nhận được sẽ biến thiên theo nhịp tim trên nền một chiều, tín hiệu này được chỉ ra như hình 10, do đó hoàn toàn có thể tin tưởng tính đồng bộ của tín hiệu nhận được với nhịp tim

Nguồn

Lọc thông thấp

Photodiode

Khuyếch đại Mạch ổn dòng

• LED : nguồn sáng của hệ đo

Hình 11 Sơ đồ khối mạch đo nhịp tim dung cảm biến quang học

• Photodiode : là cảm biến quang học, có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện

• Khuyếch đại : Khuyếch đại tuyến tính tín hiệu biến thiên trên photodiode ra đủ lớn để phân biệt rõ ràng chu kỳ của tín hiệu

• Lọc thông thấp : Photodiode bị ảnh hưởng của nhiễu môi trường, đặc biệt là nhiễu của nguồn sáng đèn trong phòng nên tín hiệu sau khi được khuyếch đại cần phải loại bỏ triệt để nhiễu tần số cao trước khi đưa vào bộ so sánh và tạo dạng

• Vi điều khiển : Xác định chu kỳ tín hiệu rồi hiển thị kết quả ra LCD

Hình 12 Sơ đồ nguyên lý mạch ổn dòng cho LED

Sơ đồ nguyên lý từng khối:

a) Mạch ổn dòng cho LED có sơ đồ nguyên lý như hình 12 :

Có thể hiểu mạch này như một mạch khuyếch đại không đảo điện áp hồi tiếp đặt trên chân đảo của KĐTT :

V- = Iled* R2 (1)

Dòng điện trong mạch sẽ ổn định ngay khi đạt được biểu thức: V- = Vin (2)

Dòng ổn định qua Led là: ILed =

(3)

Do có hồi tiếp âm mạnh nên dòng điện chạy qua Led rất ổn định chỉ phụ thuộc vào Vin ,Vin ổn định ở 5V được lấy ra từ IC ổn áp LM7805 Muốn thay đổi cường độ sáng của Led ta thay đổi giá trị của R2 Trong quá trình làm khóa luận em thấy giá trị R2 = 100Ω phù hợp với mạch đo Với giá trị này dòng điện qua Led : Iled = 50 mA b) LED

Led đỏ loại siêu sáng được chọn làm nguồn phát sáng vì loại Led này có hiệu suất phát sáng rất cao

c) Photodiode BPW34 được sử dụng vì có các ưu điểm sau: - Diện tích mặt nhận sáng rộng ( 7,5 mm2 )

- Góc mở rộng (± 65o ) - Độ nhạy sáng cao - Đáp ứng nhanh

- Điện dung lớp tiếp giáp nhỏ

- Độ ổn định cao khi nhiệt độ xung quanh thay đổi

Hình 13 Sự phụ thuộc của dòng qua Photodiode BPW34 vào cường

R3

Up

C1 đến bộ khuyếch đạiBPW34

Hình 15 Mạch điện Photodioded) Mạch Photodiode

Hình 15 trình bày sơ đồ biến đổi dòng qua photodiode thành điện áp Thật vậy:

UM = Vcc  Ip*R3 (4)

Tụ điện C1 và điện trở lối vào của tầng khuyếch đại có tác dụng như một bộ lọc thông cao, điện dung của tụ C1 = 2,2 uF điện trở lối vào của tầng khuyếch đại cỡ chục Mêgaôm nên tần số cắt của mạch lọc này rất nhỏ, gần như chỉ có tác dụng đối với thành phần một chiều, điều này có nghĩa là tụ điện truyền nguyên vẹn tín hiệu và cách li hoàn toàn được điện áp một chiều giữa Mạch Photodiode và tầng khuyếch đại

Giá trị tín hiệu truyền qua tụ C1 đến tầng khuyếch đại: up = ∆( UM )

Bộ khuyếch đại ở đây cần hệ số khuyếch đại rất lớn, trở kháng lối vào lớn, tạp âm thấp…nên em sử dụng vi mạch LF356 Do nguồn cung cấp chỉ sử dụng nguồn đơn nên để Opamp hoạt động được phải có vị trí đất ảo (Vitual Ground), các lối vào và lối ra phải có các tụ để loại bỏ thành phần một chiều, các tụ này phải có điện dung lớn để có dung kháng nhỏ đối với tần số thấp như tần số nhịp tim

Hình 16 Sơ đồ mạch khuyếch đại dùng LF356

R2 và R3 tạo thành cầu phân áp chia đôi Vcc tạo ra điểm M có hiệu điện thế Vcc/2 so với đất, hiệu điện thế này được ổn định bởi tụ C2

Hệ số khuyếch đạt của mạch này

N = R4 / R5 (6) N = 1000

Do có hệ số khuếch đại lớn nên trước khi đến tầng lọc thông thấp, tín hiệu cũng đã được lọc trước ở đây do tác dụng của tụ C4 mắc song song với điện trở hồi tiếp của tầng khuyếch đại không đảo này, tụ C4 có điện dung 500 pF nên chỉ lọc được các tần số khá cao ( cỡ kHz ) nên nhiễu chính 50Hz vẫn chưa lọc được

π (7)

Với các giá trị như trên hình 17 thì tần số cắt của mạch là 1Hz, sẽ cho tần số của tín hiệu nhịp tim đi qua nhưng sẽ cắt toàn bộ nhiễu tần số cao, đặc biệt là nhiễu từ môi trường 50Hz

Với một hệ thống mạch điện như đã trình bày, tín hiệu từ Photodiode được khuyếch đại lên 1000 lần sau đó qua mạch lọc thông thấp, tín hiệu ở đầu ra mạch lọc có biên độ khoảng 1,2V Với biên độ này có thể đưa trực tiếp vào mạch tạo dạng tín hiệu để tạo ra xung vuông có tần số bằng tần số tín hiệu mà không hề mắc phải một sai số nào

Hình 18 Mạch so sánh và tạo dạng tín hiệu dùng LM311f) Mạch so sánh và tạo dạng tín hiệu:

Nhiệm vụ của mạch là so sánh để xác định đúng chu kỳ của nhịp tim

Biến trở VR3 dùng để xác định ngưỡng so sánh, khi giá trị lối vào mạch so sánh lớn hơn giá trị ngưỡng thì đầu ra ở mức cao, khi giá trị lối vào nhỏ hơn giá trị ngưỡng thì đầu ra ở mức thấp

Tụ điện C1 có tác dụng ổn định giá trị ngưỡng

R1,R2 là các điện trở đưa tín hiệu vào các chân không đảo và đảo của LM311, điện trở R4 với R1 cùng LM311 tạo thành một mạch Triger để giữ giá trị đầu ra thêm ổn định Mạch so sánh giao tiếp trực tiếp với Vi điều khiển nên giá trị đầu ra của nó phải là các giá trị TLL LM311 có lối ra Collector hở nên chỉ cần treo 1 điện trở từ lối ra ( Chân 7 ) lên 5V và chân quy chiếu mức thấp ( Chân 1 ) xuống đất – 0V là mạch so sánh này có thể giao tiếp được với Vi điều khiển

g) Vi điều khiển

Vi điều khiển là bộ não của một hệ thống điều khiển và đo đạc Vi điều khiển có nhiệm vụ điều khiển, phối hợp hoạt động của toàn bộ hệ thống, đảm bảo hệ thống làm việc chính xác, hiệu quả Do vậy việc lựa chọn vi điều khiển nào để làm bộ điều khiển trung tâm là rất quan trọng Tuỳ thuộc vào mục đích điều khiển mà ta có thể lựa chọn loại có tốc độ cao, loại tiêu thụ ít năng lượng hay loại có chức năng chuyên

biệt… Hiện nay trong các hệ thống đo lường và điều khiển, họ 8051 của ATMEL được dùng khá phổ biến với các ưu điểm như kinh tế, tiện dụng… Tuy nhiên với ứng dụng cụ thể trong đề tài yêu cầu đặt ra là phải xây dựng hệ đo từ xa, vấn đề tiểu hình hoá hệ đo rất được quan tâm Mặt khác, với các thiết bị không dây, vấn đề năng lượng cũng cần được quan tâm Việc tăng số lượng các linh kiện đồng nghĩa với việc mạch sẽ tiêu thụ nhiều năng lượng hơn Giải pháp đưa ra là sử dụng một vi điều khiển có sẵn bộ biến đổi tương tự số bên trong chip Vi điều khiển AVR AT90S8535 của hãng ATMEL đã đáp ứng được các yêu cầu trên Ngoài ra 8535 còn có một số đặc tính sau:

∗ Một số đặc tính của vi điều khiển AT90S8535

1 Cấu trúc tập lệnh thu gọn RISC có thể thực hiện được 8 triệu lệnh một giây với tần số thạch anh 8MHz

2 Có 8 Kbyte bộ nhớ chương trình kiểu In-System Programmable Flash

3 Có 512 byte EEPROM 4 Có 512 byte SRAM nội

5 Có 32 đường vào ra có thể cấu hình riêng rẽ là lối vào hay ra 6 Có cổng thu phát không đồng bộ vạn năng UART lập trình được 7 Có 8 đường ADC 10 bit, với thời gian biến đổi có thể lập trình 8 Có bộ so sánh với lối vào tương tự

14 Nguồn cung cấp trong dải 4-6V …

Sơ đồ khối cấu trúc của vi điều khiển AVR AT90S8535