Với giá trị R2 và C5 như trên ta tính được tần số cắt là :
fc = 2πRC1 = 2π3.3x1031x1000x10-6= 48mHz.
Khi cho tín hiệu sin viên độ 4.3V vào mạch lọc thơng cao thì kết quả đo trên mach lọc thông cao đã thi công thì thu được dạng tín hiệu ra như hình sau:
CHƢƠNG V: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG 65 Màu vàng là tín hiệu trước bộ lọc thơng cao, màu tím là tín hiệu sau bộ lọc cao:
Hình 5.10a Ngõ ra mạch lọc thơng cao.
Tương tự như mạch thông thấp, để xác định tần số cắt của mạch lọc thông cao đã thi cơng, ta tìm tần số mà tại đó biên độ giảm đi 2 so với biên độ lớn nhất .
Theo đó ta đo được tần số cắt fc = 46mHz tại tần số mà biên độ bằng:
biên độ lớn nhất 2 )= 4.3 2)= 3.08V. Tín hiệu ra Tín hiệu vào Xác định Vpp của tín hiệu ra là 3.08V
CHƢƠNG V: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 66
Hình 5.10b Ngõ ra mạch lọc thơng cao.
Hình 5.10 Ngõ ra mạch lọc thơng cao.
Mạch triệt tần:hay mạch chắn dải là mạch gồm mạch lọc thông cao mắc
song song với mạch lọc thông thấp với tần số cắt của mạch lọc thông cao lớn hơn tần số của mạch lọc thông thấp.Đây là mạch lọc khá quan trọng trong việc triệt nhiễu cho tín hiệu ECG, bởi vì nhiễu điện lưới 50Hz vớiđiện
Tần số cắt mạch lọc thông cao = 46 mHz
CHƢƠNG V: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 67
ápnhiễu lớn hơn rất nhiều lần so với điện áp điện tim và tồn tạikhơng những trong các thí bị đo lường điện mà cả môi trường xungquanh ta. Trong phần này, nhóm sử dụng mạch lọc như hình sau :
Hình 5.11Mạch triệt tần 50Hz. Chọn:C6 = C7 = C = 100nF; C8//C9 = 2C = 200nF => C8=C9=100nF. fc = = 2πRC1 => R = 1 2π50Hz.100.10-9F = 32 KΩ. Chọn R = 33KΩ => R6+R7 = R 2= 16.5 KΩ. Chọn R6 = 4.7 KΩ, R7 = 10 KΩ.
CHƢƠNG V: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 68 Ở tần số 50Hz , biên độ gần bằng 0:
Hình 5.12 Ngõ ra lọc triệt tần ở 50Hz.
Tăng tần sốlên 60Hz, 70Hz, 80Hz biên độ tăng dần :
Tín hiệu vào khối triệt tần
Tín hiệu ra gần = 0 ở tần số 50Hz
CHƢƠNG V: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG 69
Hình 5.13 Ngõ ra mạch triệt tần ở 60Hz.
Hình 5.14 Ngõ ra mạch triệt tần ở 70 Hz.
Giảm tần số xuống 40Hz, 30Hz biên độ tăng dần so với biên độ ở tần số 50Hz:
Tín hiệu vào Tần số tín hiệu vào
Tín hiệu vào Tín hiệu ra
CHƢƠNG V: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 70
Hình 5.15 Ngõ ra mạch triệt tần ở 40Hz.
Hình 5.16Ngõ ra mạch triệt tần ở tần số 30Hz.
5.5Khối khuếch đại và dịch mức:
Tín hiệu vào Tần số tín hiệu vào Tín hiệu ra Tín hiệu vào Tín hiệu ra
CHƢƠNG V: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG 71 Tín hiệu sau khi qua mạch lọc triệt dải được tiếp tục khuếch đại lớn tín hiệu và dịch mức lên để đưa vào vi điều khiển. Mạch của khối khuếch đại – dịch mức như sau :
Hình 5.17Mạch khuếch đại và dịch mức.
Khối khuếch đại:mạch sử dụng opam OP07 và điện trở để khếch
đại điện áp cho tín hiệu vào .Độ lợi mạch khuếch đại sẽ được tùy chỉnh bằng RV1 theo công thức (5.2):
G= 1+ RV1
R1 (5.2)
Khi ta cho sóng sin có biên độ 55mV, ta được dạng sóng ngõ ra như sau :
CHƢƠNG V: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG 72
Hình 5.18a Ngõ ra khuếch đại của mạch khuếch đại –dịch mức.
Hình 5.18bNgõ ra khuếch đại của mạch khuếch đại –dịch mức.
Tín hiệu ra
Tín hiệu vào Mạch thi cơng
Thang đo của kênh 1 và kênh 2
Tín hiệu vào 55.4mV Tín hiệu ra 881mV
CHƢƠNG V: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 73 Khi ta cho cho tín hiệu vào 55mV thì khuếch đại lên 881mV và có thể thay đổi được bằng biến trở RV1.
Mạch dịch mức:Do đầu ra đưa tới bộ ADC của PIC 16F877A mà
điện áp ADC lấy mẫu của PIC là ( 0V - 5V ) nên ta cần mạch dịch mức để phần tín hiệu ECG âm lên khoảng ( 0V -5V ). C10 và C12 dùng ổn áp nguồn, C13 dùng ổn áp tại điểm 1.2V.
Xét ngõ vào cộng:
Hình 5.19Mạch dịch mức xét ngõ vào cộng.
I = 5V
4.2KΩ= 1.2mA => Vin = 1,2mA x 1KΩ = 1.2 V.
CHƢƠNG V: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG 74
Hình 5.20Mạch điện tƣơng đƣơng.
G = 1+ R17
R16 = 1+ 1 = 2 lần.
Vout = 1.2V x 2 = 2.4V.
Xét ngõ vào trừ:
Hình 5.21Mạch dich mức điện áp xét ngõ vào trừ.
G = - R17
R16 = -1 => Vout = ± Vin
Chọn Vin trong khoảng 2V thì Vout trong khoảng ( 0,4V – 4,4V).
CHƢƠNG V: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 75
Hình 5.22 Phóng to ngõ ra mạch dịch mức.
Hình 5.23Ngõ ra mạch dịch mức.
Tín hiệu ra Tín hiệu vào
Tín hiệu ra được dịch lên 2.38V DC
Trục tín hiệu ra
Tín hiệu vào
CHƢƠNG V: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 76
5.6 Khối xử lí và hiển thị điện áp đo đƣợc:
Tín hiệu điện tim sau khi được dịch mức lên khỏi mức điện áp âm tiếp tục đưa vào vi xử lý PIC để giải mã hiển thị kết quả điện áp lên LCD.
Sơ đồ nguyên lí:
Hình 5.24: Khối xử lí và hiển thị điện áp.
Tín hiệu điện tim là tín hiệu tương tự được đưa vào chân RA0 của vi điều khiển . Khi có cờ ngắt,định thời 0.25s thì lấy mẫu một lần, chuyển đổi sang điện áp và hiển thị kết quả lên LCD.Với ý tưởng như vậy, nhóm em đưa ra giải thuật như sau:
CHƢƠNG V: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG 77
Giải tḥt chương trình chính :
Hình 5.25Giải thuật chƣơng trính chính .
Bắt đầu Khởi tạo các biến Khởi tạo LCD Chương trình con xử lí ngắt Đọc dữ liệu ADC Hiển thị LCD
CHƢƠNG V: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 78
Lưu đồ giải thuật chương trình con xử lý ngắt:
// timer đếm được 0.25s
Hình 5.26 Lƣu đồ giải thuật chƣơng trình ngắt. Đ Đ S S Đ Đếm =0;OK=1; Xóa cờ tràn Nạp lại bộ đếm timer; Xóa cờ tràn timer Xử lý ngắt Có cờ ngắt S Cờ tràn timer =1 Đếm ++ Đếm==5 Kết thúc
CHƢƠNG V: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 79
Lƣu đồ giải thuật đọc ADC:
Hình 5.35 Lƣu đồ giải thuật đọc ADC.
Đọc ADC OK==1 ĐỌC ADC; OK=0; XUẤT LCD S Đ OK==1 ĐỌC ADC; OK=0; Kết thúc
CHƢƠNG V: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 80
Code điều khiển:
//** ket noi voi Lcd 16x2 **// sbit LCD_RS at RB5_bit; sbit LCD_EN at RB4_bit; sbit LCD_D4 at RD7_bit; sbit LCD_D5 at RD6_bit; sbit LCD_D6 at RD5_bit; sbit LCD_D7 at RD4_bit;
sbit LCD_RS_Direction at TRISB5_bit; sbit LCD_EN_Direction at TRISB4_bit; sbit LCD_D4_Direction at TRISD7_bit; sbit LCD_D5_Direction at TRISD6_bit; sbit LCD_D6_Direction at TRISD5_bit; sbit LCD_D7_Direction at TRISD4_bit; //** Khai bao bien **//
unsigned char dem=0,str[4],buff[6],ok=0; unsigned int adc_val,dienap,I;
unsigned int Text[3];
void Read_ECG() // Ham doc gia tri ECG {
CHƢƠNG V: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 81
{
ok=0;
Adc_val=ADC_Read(0); // Doc gia tri tu mach khuech dai dienap=Adc_val*5000.0f /1023; WordToStrWithZeros(dienap,Text); Lcd_Out(2,10,Text); Delay_ms(200); } } void khoi_tao() {
ANSEL = 0x00 ; ANSELH = 0x00; //ANSEL = 0x00 thi port a la I/O digital. ANSELH = 0x00 thi portb la I/O digital
TRISA = 0x01 ; PORTA = 0x00; // PORTA.F0 la ngo vao TRISB = 0x00 ; PORTB = 0x00; // PORTB la cong I/O TRISC = 0x80 ; PORTC = 0x80; // PORTC la cong I/O //** Khoi tao cac ngat **//
INTCON = 0xC0; // Cho phep ngat toan cuc TMR1IE_bit=1 ; TMR1IF_bit=0; // Cho phep ngat timer 1
TMR1H = 0x3C ; TMR1L = 0xB0; // nap cho bo dem voi chu ky 50ms T1CON = 0x21; // Chay timer1 voi bo chia ty le 1:4
CHƢƠNG V: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 82
Lcd_Init(); // Khoi tao Lcd che do 4 bit Lcd_cmd(0x0C); // tat con tro Lcd Lcd_cmd(0x01); // Xoa man hinh Lcd_out(1,1,"MACH DIEN TIM CG");
Lcd_out(2,1,"dien ap:");
//** Khoi tao truyen thong RS232 **//
UART1_Init(9600); // Khoi tao toc do Baud la 9600 delay_ms(100);
}
void interrupt() // Ngat timer 1 quy dinh thoi gian lay mau va gui len may tinh {
if(TMR1IF_bit) // Nếu có cờ tràn timer {
dem++; // quy dinh cu sau 0.25s thi lay mau mot lan if(dem==5)
{
dem=0;ok=1; // Gui du lieu va bat dau dem lai tu dau }
TMR1H = 0x3C ; TMR1L = 0xB0; // Nap lai bo dem TMR1IF_bit=0; // Xoa co tran Timer 1 }
CHƢƠNG V: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 83 void main() { Khoi_tao(); while(1) { Read_ECG(); } }
5.7 Mô phỏng trên ECG Simulator:
Nhóm lấy tín hiệu từ tim giả cho vào mạch khuếch đại- lọc nhiễu. Tim giả sẽ phát ra dạng sóng của tín hiệu điện tim, có biên độ và tần số giống với tín hiệu tim thật của con người. Tín hiệu ra sau các khối lọc như sau :
CHƢƠNG V: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG 84
Hình 5.27a: Tín hiệu thu đƣợc khi đo trên tim giả.
Hình 5.27b: Tín hiệu thu đƣợc khi đo trên tim giả.
Máy tim giả
Mạch thi cơng Tín hiệu ra
CHƢƠNG V: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG 85
Tín hiệu khi qua bộ khuếch đại, lọc thơng cao thơng thấp vẫn cịn nhiều nhiễu, ta tiếp tục cho tín hiệu qua bộ lọc triệt tần 50Hz thì tín hiệu thu được là :
Hình 5.27c: Tín hiệu thu đƣợc khi đo trên tim giả.
Kết luận:Mạch này chỉ đo được trên ECG Simulator( tim giả), vẫn không đo
được trên người nên nhóm đã cải thiện lại mạch và thi công mạch thứ hai để cố gắng đo được thực tế trên cơ thể người.
5.8Mạch cải thiện để có thể đo thực tế trên ngƣời:
Ởmạch này, nhóm chỉ thiết kế lại mạch khuếch đại 1, sử dụng mạch điều khiển chân phải ( Driven Right Leg Circuit ) như đã được trình bày ở phần 3.2. Cịn các mạch lọc vẫn giống như mạch trên đã trình bày:
P R T Q S Q S P R T
CHƢƠNG V: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 86
Sơ đồ ngun lí:
Hình 5.28: Sơ đồ ngun lí mạch cải thiện.
Layout:
CHƢƠNG V: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 87
Kết quả đo được:Gắn điện cực lên 3 chi như trong sơ đồ ngun lý hình 5.26. Đo tín hiệu ngõ ra sau mạch lọc thơng cao thơng thấp thì được tín hiệu như sau :
Hình 5.30: Ngõ ra khối khuếch đại-lọc nhiễu mạch cải thiện.
Hình 5.31: Phóng to màn hình ngõ ra khối khuếch đại-lọc nhiễu.
Mạch thi cơng
Điện cưc dán Tín hiệu tim
CHƢƠNG V: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG 88 Đến đây thì tín hiệu đã có thể thu được từ trên người, nhưng vẫn cịn nhiễu rất nhiều, chỉ có thể nhìn thấy đỉnh R ( là đỉnh cao nhất của tín hiệu điện tim ).Tiếp tục cho tín hiệu qua bộ lọc triệt tần 50Hz như sơ đồ nguyên lý hình 5.11 thì thu được tín hiệu rõ hơn :
Hình 5.32:Ngõ ra khối triệt tần 50Hz của mạch cải thiện.
Mạch thi công Dạng tín
CHƢƠNG V: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG 89
Hình 5.33 Phóng to ngõ ra khối triệt tần 50Hzcủa mạch cải thiện.
Nhóm đã thu được thành cơng sóng điện tim, tuy cịn hơi nhiễu những đã cho thấy được hình dạng sóng nhịp tim với các đỉnh cơ bản .
Tiếp tục kết nối để đưa tín hiệu điện tim qua mạch khuếch đại - dịch mức và đưa vào vi xử lý để hiển thị giá trị điện áp lên LCD.
Dạng sóng tim
CHƢƠNG V: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG 90
Hình 5.34a: hiển thị điện áp lên LCD.
Vi xử lí có thể đọc giá trị điện tim như tín hiệu tương tự và hiển thị lên LCD.
Hình 5.34b:Hiển thị điện áp lên LCD.
LCD hiển thị điện áp đo được = 1402mV
LCD hiển thị điện áp đo được = 2394mV
CHƢƠNG V: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 91
Hình 5.34c:Hiển thị điện áp lên LCD.
LCD hiển thị điện áp đo được = 2497mV
CHƯƠNG VI: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 92
CHƯƠNG VI:KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Với sự giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ dạy tận tình của của TS.Nguyễn Thanh Hải, nhóm đã thiết kế và thi công thành công đề tài “Thiết kế và chế tạo thiết bị đo
điện tim (ECG)”. Bằng các phương pháp quan sát, thực nghiệm, phân tích thống
kê, tính tốn. Kết quả đề tài bước đầu đã có nhiều khách quan :
Có thể đo được trên cả ECG Simulator và trực tiếp trên cơ thể người.
Dạng sóng điện tim thu được hiển thị rõ ràng trên máy đo sóng.
Có thể giao tiếp với vi điều khiển để hiển thị được giá trị điện áp của sóng nhịp tim lên LCD.
CHƯƠNG VII: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 93
CHƯƠNG VII: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 7.1 Kết luận:
Trong suốt quá trình tìm hiểu và nghiên cứu đề tài, nhóm đã thiết kế, thi công thành cơng. Do trình độ và hiểu biết của nhóm cịn hạn chế, nên cũng phát sinh nhiều bất cập trong suốt q trình làm. Qua đó nhóm cũng đã rút kết nhiều kinh nghiệm quý báu, cần thiết trong đề tài này:
Ưu điểm:
Thiết kế và thi công được thiết bị thu nhận và xử lý tín hiệu điện tim thơng qua bộ khuếch đại-lọc nhiễu.
Có thể đo trực tiếp trên cơ thể người.
Hiển thị được dạng sóng của tín hiệu điện tim thu được một cách trực quan qua máy đo sóng.
Hiển thị được điện áp của sóng nhịp tim lên LCD.
Khuyết điểm:
Chưa hoàn toàn xử lý được nhiễu.
Dạng sóng điện tim thu được chưa hồn tồn giống tín hiệu điện tim chuẩn.
Do làm thủ cơng nên kích thước cịn lớn.
Đánh giá:
Qua đề tài, nhóm cũng có những đánh giá rất cần thiết cho bản thân với nhiều kinh nghiệm bổ ích:
Thi công thành công đề tài.
Khả năng tự tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu.
Khả năng làm việc theo nhóm.
CHƯƠNG VII: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 94 7.2. Hướng phát triển:
Do thời gian cũng như kiến thức còn hạn chế nên đề tài cịn nhiều sai sót. Nhóm có một vài kiến nghị để đề tài được hoàn thiện hơn trong tương lai để áp dụng vào thực tiễn:
Hoàn chỉnh bộ khuếch đại lọc nhiễu để giảm nhiễu xuống mức tối đa để có được sóng nhịp tim đẹp.
Phát triển theo hướng giao tiếp nhiều thiết bị đo cùng lúc với máy tính để có thể quan sát trực quan dạng sóng trên máy tính thuận tiện hơn khi sử dụng máy đo sóng.
Các thiết bị đo nhiệt độ bệnh nhân, áp suất, huyết áp, SpO2 tạo thành một hệ thống Patient Monitor dùng để liên tục theo dõi tình trạng sức khỏe của bệnh nhân và lưu trữ dữ liệu đó một cách đầy đủ và chính xác.
Qua đó, đề tài mong muốn đóng góp một hướng đi mới cho ngành y tế của nước ta hiện nay, đó là việc cho ra thiết bị y tế rẻ tiền nhưng vẫn đạt độ chính xác cao cho các bác sĩ và bệnh nhân.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Sáchthamkhảo :
[1] QuáchMỹPhượng, “Thiếtkếvàchếtạothiếtbịđo ECG giaotiếpvớimáytính”, ĐạihọcBáchKhoa HCM, 12/2016.
[2] Nguyen PhanAnh, “Design of the ecg and respiratory rate monitor device”, Vietnam National University, 01/2014.
[3] NguyễnQuốcCường-NguyễnThịLanHương-PhạmThịNgọcYến,
“Nghiêncứuthiếtkếmáyđotínhiệuđiệntimsửdụng DSP
TMS320C6713”,ĐạihọcBáchKhoaHàNội.
[4] NguyễnĐìnhPhú-TrươngNgọcAnh, “Vi xửlí”, ĐạihọcSưphạmkỹthuật HCM, 01/2013.
[5] BửuLân, “Đến 2017, 1/5 dânsốViệt Nam mắcbệnhvềtimmạch”, VTC News, 10/10/2014.
[6] A. Guatam, Y.-D. Lê and W.-Y. Chung, “ECG Signal De-noising with Signal Averaging and Filtering Algorithm”, in Third 2008 Internatinal Conference anh Convergence and Hybird Information Technology (ICCIT 2008), Busan, South Korea, 2008.
[7] M.Jaakko and P.Robert, Bioelectromagnetism–principles and Application of Bioelectric And BiomagneticFields,New York: Oxford University,1995.
Website thamkhảo : www.dientuvietnam.net www.picvietnam.com www.mikroe.com www.microchip.com www.alldatasheet.com http://read.pudn.com/