Khâu lọc thơng thấp (Fc=100Hz)
Như đã đề cập thì khi thu tín hiệu ECG, trong mơi trường sẽ có rất nhiều các tín hiệu nhiễu ảnh hưởng đến tín hiệu ECG của chúng ta và các tín hiệu ở tần số cao được sinh ra bởi các thiết bị điện tử và các hệ thống mạng xung quanh chúng ta là phổ biến nhất vì vậy ta trong thiết kế ta sẽ dùng 2 bộ lọc thông thấp để lọc bỏ tối đa các tín hiệu ở tần số cao.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 35 Tín hiệu ECG của chúng ta khi đo bằng phương pháp này có tần số trong khoảng 0.5 ÷ 100 Hz. Vì vậy ta sử dụng bộ lọc thông cao với Fc= 100 Hz và được xác định theo công thức 3.7
𝐹𝑐 = 1
2𝜋 ∗ 𝐶 ∗ 𝑅 (3.7)
Trong mạch t chia R thành 2 giá trị để dễ dàng chọn 2 giá trị đó sao cho gần nhất với giá trị tính được. Cụ thể ta chia R của 2 mạch thành Rx-1, Rx-2 của mạch 1 và Rx-3, Rx-4 của mạch 2. Và giá trị Rx sẽ được tính theo cơng thức 3.8 khi ta chn C=0.1 àF.
= 1
2 ì 𝜋 × 𝐶 × 𝐹𝐶 =
1
2 × 𝜋 × 10−7× 100𝐻𝑧 = 15.9𝑘Ω (3.8)
Với giá trị Rx tính được ta chia ra Rx-1 + Rx-2 = 20KΩ và Rx-3 +Rx-4 = 10 KΩ.
Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý của khâu lọc thông thấp.
Khâu lọc dải triệt (Fc=50Hz)
Như chúng ta đã biết, nguồn điện ta sử dụng là nguồn 220V với tần số chủ yếu là 50Hz và nó có mặt ở khắp mọi nơi xung quanh chúng ta chính vì vậy nó cũng ảnh hưởng rất nhiều đến việc lấy tín hiệu ECG từ người. Để tránh tình trạng nhiễu do mạng lưới điện sử dụng thì trong thiết kế ta sử dụng bộ lọc dải triệt để lọc bỏ chúng.
Trong thiết kế ta sử dụng bộ lọc dải triệt với Fc=50Hz và cũng được tính theo cơng thức [3.7]. Giá trị của R và C cần tính trong thiết kế là C21=C22 và R13=R14. Chọn giá trị C21=C22= 0.1 µF ta được R13=R14= 31.8 KΩ. Trong thực tế lấy giá trị là 33 KΩ.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 36
Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý của khâu lọc dải triệt.
Khâu khuếch đại
Về căn bản khâu này khơng khác gì khâu khếch đại trước nó, chức năng để khuếch đại tín hiệu ngõ ra và với khâu khuếch đại này độ lợi vịng hở của nó có giá trị nhỏ hơn và cụ thể là AV=6.
Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý khâu khuếch đại ngõ ra.
Khâu đảo và nâng dạng sóng.
Khi tín hiệu đi qua khâu khuếch đại ngõ ra, dạng sóng ECG của chúng ta tương đối nhìn rõ về biên độ của các đỉnh sóng. Tuy nhiên khi xét đến việc truyền
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 37 vào chân ADC của vi điều khiển dsPIC thì chưa được vì dạng sóng ECG vừa thu được thì có mức điện áp âm cho nên ta khơng thể truyền vào cho vi điều khiển xử lý được. Vì vậy phải cần đến khâu nâng dạng sóng lên để dạng sóng khơng tồn tại ở mức điện áp âm bằng cách bù điện áp thông qua 1 cầu phân áp cho nó. Sơ đồ nguyên lý của khâu này được thể hiện ở hình 3.14. Điện trở được sử dụng cho cấu phân áp là 3 điện trở có giá trị lần lượt là 3.2KΩ, 1KΩ và 1KΩ. Điện áp bù (U) cho tín hiệu được tính theo cơng thức [3.9].
𝑈 = 1𝑘
1𝑘 + 3.2𝑘× 9𝑉 = 2.14𝑉 (3.9)
Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý khâu đảo và nâng dạng sóng.
Tín hiệu sau khâu khuếch đại ngõ ra sẽ được đưa vào chân “-“ của Op- amp. Đây cũng là 1 bộ khuếch đại với AV=-1 có nghĩa là tín hiệu sau khi đưa qua Op-amp này sẽ bị đảo và truyền trực tiếp vào chân ADC của vi điều khiển.
c. Thiết kế khối Digital xử lý trung tâm (VĐK).
Như đã đề cập trước đây, dSPIC30F4013 là một vi điều khiển có 12 -bit ADC, tương đương với 212 mẫu / giây. Đó là một yếu tố quan trọng để lấy mẫu tín hiệu ECG liệu. Các mẫu tín hiệu được lấy nhiều thì tín hiệu sẽ rõ ràng và sắc nét hơn khi nhận lại. Đây là lý do chính để lựa chọn dsPIC30F2012 cho dự án này. Hình 3.15 cho thấy các chi tiết cấu hình chân và kết nối của vi điều khiển.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 38 - PORTB (13 chân), trong đó 4 chân dùng để làm 4 chân dữ liệu cho màn hình LCD là RB9, RB10, RB11, và RB12. Việc duy trì hai chân analog (RB3, RB5) được sử dụng để kết nối với pin tín hiệu tương tự từ các module analog. Và trong thực tế thử nghiệm, chân RB5 được cấu hình để sử dụng làm đầu vào analog.
- Pin RD0, RD1, RD2 được dùng làm 3 chân điều khiển của LCD. - Pin RF2, RF3, RF4, RF5 được cấu hình để sử dụng 2 cổng UART.
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 39
d. Thiết kế khối hiển thị trang thái
LCD này sử dụng để hiển thị các thơng báo trong q trình kết nối và truyền tải. LCD được thiết kế để sử dụng với kiểu truyền 4 –bit, 4 bit dữ liệu được kết nối với pin B9 đến B12, và 3 bit điều khiển được kết nối với pin D0 để D2 của VĐK . Một biến trở 10K được sử dụng để điều chỉnh độ tương phản của màn hình LCD. Chi tiết kết nối ta xem hình 3.16
Hình 3.16: Sơ đồ kết nối chân của LCD. e. Thiết kế kết nối đến module WIFI. e. Thiết kế kết nối đến module WIFI.
Trong thiết kế này ta dựa vào các chân của module ESP8266 v1 để ta kết nối thứ tự các chân, cấp nguồn, nối GND và tạo nút nhấn reset cho module hoạt động một cách ổn định nhất. Trong thiết kế ta cấp nguồn 3.3V cho module hoạt động nối đất cho module, sử dụng nút nhấn và điện trở R38=10KΩ để tạo bộ Reset cho module và kết nối 2 chân TX, RX tới chân RX và TX của vi điều khiển. Chi tiết cụ thể ta xem hình 3.17.
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP 40
e. Thiết kế kết nối đến module USB.
Trong thiết kế ta sử dụng module USB UART CP2102. Chân của module được thể hiện trong hình 3.18. vậy nên ta chỉ cần kết nối 3 chân của module đó là chân GND kết nối với GND của mạch và 2 chân TX,RX của nó đến chân RX,TX của vi điêu khiển.
Hình 3.18: Module USB UART CP2102 và các chân của module.
Qua các bước thiết kế các khối ta có sơ đồ nguyên lý của toàn mạch. Ngun lý của từng khối đã có hình chi tiết nên sơ đồ ngun lý của toàn mạch chỉ là ghép các mạch ngun lý của từng khối. Và khơng có thêm hay bớt phần nào.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 41
Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
4.1 GIỚI THIỆU
Mơ hình của hệ thống được thiết kế và thi công bằng phần mền ORCARD 10.5 dòng sản phẩm ứng dụng của hãng Cadence (Portlan). Ban đầu vẽ mạch nguyên lý và sử dụng mạch nguyên lý đó để đi xây dựng mạch in (PCB). Trong thiết kế mơ hình này do các kết nối giữa các linh kiện và các linh kiện trong mạch nhiều cho nên ta phải thiết kế mạch in 2 lớp cho mạch. Sau quá trình thiết kế ta sử dụng kết quả đó để tiến hành lắp ráp phần cứng. Kết quả của quá trình thể hiện trong hình 4.1.
Hình 4.1: Kết quả thi công phần cứng.
Kết quả thi cơng phần cứng vẫ cón một số lỗi nhỏ như kích thức lỗ khoan chưa phù hợp, lỗi đi dây. Nhưng sau khi khắc phục thì hệ thống chạy rất ổn định và board mạch cũng rất đẹp.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 42 Sau khi đã thi công xong hệ thống ta tiến hành đưa vào chạy thử nghiệm để điều chỉnh hệ thống để có kết quả tốt nhất. Hình 4.2 là hình ảnh tín hiệu ECG được đo bằng PCB sau khi thiết kế và được hiển thị trên máy oscilloscope điện tử.
Hình 4.2: Dạng sóng ECG hiển thị trên oscilloscope điện tử.
Phần chạy thực nghiệm cịn chưa tốt mấy vì tín hiệu vẫn cịn số ít nhiễu cao tần nguyên nhân là do bộ lọc thơng cao chưa đáp ứng tốt.
Nhìn tổng quan thì hệ thống hoạt động rất tốt tuy trong mạch có vài yếu điểm nhưng khơng ảnh hưởng nhiều tới mục đích của thiết kế.
4.2 THI CƠNG HỆ THỐNG
4.2.1 Thi cơng bo mạch
Kết quả của quá trình thiết kế mạch in được thể hiện qua các sơ đồ mạch in lớp trên, mạch in lớp dưới và mạch in tên linh kiện.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 43
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 44
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 45
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 46
Bảng 4.1. Danh sách các linh kiện, module.
STT Tên linh kiện Giá trị Số chân Chú thích
1 INA114 8 Chân cắm 2 TL074 14 Chân cắm 3 IC ổn áp 7809, 7909, 7805 1A 3 Chân cắm có tản nhiệt 4 IC ổn áp ASM1117 1A 3 Chân dán 5 LCD 16 Xanh lá 6 DsPIC30F4013 40 Chân cắm
7 Tụ điện phân cực 1uf, 10uf,100uf 2 8 Điện trở 100,330,1k,2k,10k 2k7,33k,330k,390k 2 4 vòng màu 9 DB9 11 10 Biến trở 10k 3 Nút áo 11 Nút nhấn 2 2 chân
12 Tụ điện không phân cực
104, 473 2
13 Led 10-15mA 2 Chân dán
14 ESP 8266 v1 3.3v , 300mA 8 module
15 CP2102 5 module
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra
Sau quá trình thiết kế mạch PCB thì ta tiến hành lắp ráp và hàn các linh kiện vào mạch bắt đầu là lắp ráp module nguồn và tiếp theo là lắp ráp board sau đó kết nối board và các module lại với nhau ta được mạch hoàn chỉnh.
a. Lắp ráp module nguồn
Ta tiến hành lắp ráp và hàn các linh kiện của module nguồn bao gồm các linh kiện như IC ổn áp LM7809, LM7909, tụ điện và các led. Sau khi lắp ráp và hàn xong ta Tiến hành đo và kiểm tra nguồn vào và ra xem đúng hay chưa và cân chỉnh lại cho đúng. Kết quả thu được ở Hình 4.6.
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP 47
Hình 4.6: Module nguồn.
b. Lắp ráp board ECG
Trong Board sẽ có các khối riêng biệt được thiết kế từ trước nên ta tiến hành lắp rắp và đo kiểm tra từng khối. Bắt đầu là khối Analog lấy tín hiệu với linh kiện là DB9 để đưa tín hiệu từ người, IC INA114, TL074, điện trở tụ điện và các kết nối. tiếp theo lắp ráp khối Digital xử lý trung tâm bao gồm vi điều khiển dsPIC, LCD, thạch anh, nút nhấn, điện trở, tụ, và nguồn +5V cho khối này hoạt động. Kế tiếp là các kết nối đến module USB CP2102 cuối cùng là nguồn +3.3V và các kết nối đến module WIFI ESP8266. Kết quả của quá trình này ta thu được Board như hình 4.7.
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP 48
4.3 ĐĨNG GĨI VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH
4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển
Đóng gói bộ nguồn cấp:
Ta đóng gói bộ nguồn bằng 1 hộp bằng nhựa cứng. Ta thiết kế sao cho diện tích board nguồn và diện tích biến áp sau đó chọn hộp sao cho có diện tích tối thiểu bằng diện tích của board nguồn và biến áp, chiều cao cũng vậy. Dùng cơng tắc để gắn lên vỏ hộp đó sao cho thao tác đóng mở nguồn dễ dàng và kết quả của quá trình này được trình bày ở hình 4.6.
Đóng gói board ECG:
Sau khi có board ECG ta sử dụng mica để tạo vỏ bao bọc và bảo vệ cho board. Các mặt trên, mặt dưới và các bên của board đều được thiết kế cắt sao cho công việc thao tác với board đơn giản nhất có thể. Các ốc, víc và bản lề được gắn vào cố định cho hộp để gia tăng phần chắc chắn. Kết quả của quá trình này thể hiện trong hình 4.8.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 49
4.3.2 Thi công mơ hình
Hình 4.9: Chú thích các khối trong Board ECG.
Kết quả phần cứng được thể hiện trong hình 4.9 trong đó có đánh đấu và chia ra thành các phần và được đánh số riêng biệt.
- Số 1: Jack cắm nối với module nguồn và được sử dụng chủ yếu để lấy nguồn cung cấp cho board.
- Số 2: Jack cắm nối với nguồn Pin chức năng cũng để lấy nguồn cung cấp. - Số 3: Jack DB9 sử dụng để truyền tín hiệu từ Electrode vào board.
- Số 4: Khâu khuếch đại và lấy tín hiệu
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 50 - Số 6: Khâu lọc thông cao và lọc thông thấp.
- Số 7: Tổng hợp của các khâu như lọc dải triệt, khuếch đại ngõ ra, bù điện áp và đảo dạng sóng.
- Số 8: Module USB UART CP2102 chức năng để kết nối vi điều khiển với máy tính.
- Số 9: Module wifi ESP8266 V1.
- Số 10: Khối nguồn +5V có chức năng chuyển nguồn +9V thành nguồn +5V và cung cấp nguồn cho vi điều khiển là LCD.
- Số 11: Vi điều khiển và LCD.
4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
4.4.1 Lưu đồ giải thuật
Trong hệ thống này, module USB được kết nối với UART 1 và module wifi được kết nối với UART 2 của vi điều khiển. Khi mới cấp điện cho hệ thống, vi điều khiển sẽ tiến hành cài đặt cho module wifi thơng qua máy tính. Ở việc cài đặt này chúng ta chỉ cần nhập tên và mật khẩu wifi cần kết nối từ máy tính. Sau khi hồn tất việc cài đặt, vi điều khiển sẽ truyền kết quả ADC đo được lên máy tính thơng qua module USB và module wifi (ESP 8266). Khi nhận được kết quả ADC trên máy tính sẽ tiến hành xử lý và hiển thị tín hiệu thơng qua labview. Để giúp mọi người hiểu rõ hơn về cách hoạt động của hệ thống này chúng em đã tiến hành vẽ một lưu đồ giải thuật.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 51
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 52
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 53
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 54 Giải thích:
Đầu tiên vi điều khiển sẽ đợi nhận các kí tự từ module wifi để tiến hành cài đặt cho module wifi. Lúc này chúng ta sẽ nhấn nút Reset của ESP 8266 (module wifi) sau đó ESP 8266 sẽ gửi chuỗi kí tự thơng qua kết nối UART 2 ( kết nối giữa vi điều khiển với module wifi) đến vi điều khiển . Khi nhận được chữ “TEN” và “MK” từ ESP 8266 lúc này vi điều khiển sẽ đợi chúng ta nhập tên, mật khẩu wifi cần kết nối từ máy tính thơng qua module USB. Đối với một số trường hợp mà module wifi bị hư hoặc khơng gửi tín hiệu chúng ta có thể nhập chữ “OK” từ máy tính để chương trình bỏ qua việc chờ cài đặt cho ESP 8266.
Đợi 1 thời gian ngắn để việc kết nối hoàn tất, sau khi đã kết nối với wifi thì ESP 8266 sẽ gửi về vi điều khiển 1 địa chỉ IP. Cuối cùng ESP 8266 sẽ gửi 1 chữ “OK” để kết thúc quá trình cài đặt. Tất cả quá trình trên sẽ được hiển thị ra LCD.
Sau khi đã hoàn tất cài đặt cho module wifi. Lúc này vi điều khiển thực hiện công việc: tiến hành đo kết quả ADC và gửi liên tục kết quả này kèm với kí tự “\r\n” (khoảng trắng và xuống dòng) lên máy tính (UART1). Đồng thời kết quả ADC này cũng được gửi kèm với “ “ (khoảng trắng) qua module wifi, khi đủ 200 kết quả ADC thì tiến hành gửi kí tự “\r\n” (khoảng trắng và xuống dòng) qua module wifi. Việc gửi 200 kết quả đến module wifi chỉ thực hiện liên tục 15 lần sau đó dừng 5 lần.
Đây chỉ mới là chương trình của vi điều khiển để hiểu rõ hơn về cách thức