(Đồ án hcmute) thiết kế và thi công thiết bị đo nhịp tim, nồng độ oxy trong máu và nhiệt độ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH KỸ THUẬT Y SINH

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG THIẾT BỊ
ĐO NHỊP TIM, NỒNG ĐỘ OXY
TRONG MÁU VÀ NHIỆT ĐỘ

GVHD: NGUYỄN THANH HẢ
SVTH: ĐINH NGỌC VĨNH AN
MSSV: 16129001
SVTH: DƯƠNG THỊ KIỀU OANH
MSSV: 16129050

SKL 0 0 7 3 6 5

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08/2020

do an


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGÀNH KỸ THUẬT Y SINH

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG THIẾT BỊ
ĐO NHỊP TIM, NỒNG ĐỘ OXY TRONG
MÁU VÀ NHIỆT ĐỘ

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Thanh Hải
SVTH: Đinh Ngọc Vĩnh An
Dương Thị Kiều Oanh

Tp. Hồ Chí Minh – 08/2020

do an

16129001
16129050


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
----o0o---Tp. HCM, ngày 03 tháng 08 năm 2020

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:

Chuyên ngành:
Hệ đào tạo:
Khóa:

Đinh Ngọc Vĩnh An
Dương Thị Kiều Oanh
Kỹ thuật y sinh
Đại học chính quy
2016

MSSV: 16129001
MSSV: 16129050
Mã ngành: 29
Mã hệ:
1
Lớp:
161290A

I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG THIẾT BỊ ĐO NHỊP TIM, NỒNG
ĐỘ OXY TRONG MÁU VÀ NHIỆT ĐỘ
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
Đối tượng nghiên cứu là Arduino mega 2560, cảm biến nhiệt độ hồng ngoại
MLX90614, cảm biến nhịp tim và Spo2 Max30100, hiển thị dữ liệu cảm biến lên
màn hình Oled, truyền dữ liệu qua module Bluetooth HC - 05. Cách lập trình tạo
App trên Mit App Inventor.
2. Nội dung thực hiện:
-

Nội dung 1: Tìm hiểu cơ sở lý thuyết từ đó lựa chọn giải pháp cho đề tài.

-

Nội dung 2: Thiết kế sơ đồ khối, chức năng các khối, tính tốn chọn giá trị linh
kiện

-

Nội dung 3: Thiết kế hệ thống điều khiển. Thi công các khối

-

Nội dung 5: Lập trình viết App chạy trên nền tảng Android

-

Nội dung 6: Chạy thử nghiệm thiết bị, đánh giá kết quả, đề ra hướng phát triển.

-

Nội dung 7: Làm slide báo cáo, viết báo cáo đề tài

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

09/03/2020

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/08/2020
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS. TS. Nguyễn Thanh Hải

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH

do an

ii


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
----o0o---Tp. HCM, ngày 16 tháng 3 năm 2020

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Đinh Ngọc Vĩnh An
Lớp: 161290A
MSSV: 16129001
Họ tên sinh viên 2: Dương Thị Kiều Oanh
Lớp: 161290A
MSSV: 16129050
Tên đề tài: Thiết kế và thi công thiết bị đo nhịp tim, nồng độ Oxy trong máu và
nhiệt độ
Tuần/ngày

Nội dung

Xác nhận GVHD

Tuần 1

Gặp GVHD để nghe phổ biến yêu cầu làm

(9/3 – 15/3)

đồ án, tiến hành chọn đồ án.

Tuần 2

GVHD tiến hành xét duyệt đề tài.

(16/3 – 22/3)
Tuần 3
(23/3 – 29/3)

Viết tóm tắt yêu cầu, đề cương đề tài đã
chọn

Tuần 4

Tìm hiểu cơ sở lí thuyết về cảm biến đo

(30/3 – 5/4)

nhiệt độ, nhịp tim, nồng độ oxy trong máu.
Tìm hiểu cách thức hoạt động của cảm biến.

Tuần 5

Tiến hành thiết kế sơ đồ khối và giải thích

(6/4 – 12/4)

chức năng các khối.
Thiết kế sơ đồ mạch, tìm hiểu sơ đồ ngun
lí hoạt động mạch để kết hợp lập trình

Tuần 6

Chọn linh kiện,tiến hành kiểm tra hoạt động

(13/4 – 19/4)

mạch đo nhịp tim, nồng độ oxy trong máu
và nhiệt độ trên test board.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH

do an

iii


Tuần 7,8

Tiến hành thiết kế app hiển thị các thông số

(20/4 – 3/5)

đo được trên điện thoại.
Tiến hành mô phỏng mạch ngun lí và
hồn thiện hệ thống cảnh báo bằng cịi
buzzer cho nhịp tim và nồng độ oxy trong
máu

Tuần 9,10

Tính toán vẽ mạch PCB.

(4/5 – 17/5)

Tiến hành giao tiếp giữa cảm biến và app
thông qua module bluetooth.

Tuần 11,12,13

Tiến hành thi công mạch PCB và kiểm tra

(18/5 – 7/6)

hoạt ộng của mạch.

Tuần 14

Kết hợp giữa phần cứng và phần mềm.

(8/6 – 14/6)

Cải tiến và hồn thiện chương trình lập
trình.

Tuần 15,16
(15/6 – 28/6)

Thiết kế mơ hình, lắp ráp hệ thống điều
khiển vào mơ hình.

(29/6 – 26/ 7)

Chạy thử nghiệm. Thu thập kết quả
chỉnh sửa mơ hình và mạch điều khiển.

Tuần 20

Hồn thiện báo cáo và gởi cho GVHD

(27/7– 2/8)

để xem xét góp ý trước khi nộp và báo

Tuần 17,18,19

cáo.
Tuần 21,22
(2/8 – 16/8)

Báo cáo với GVHD.
Nộp cuốn báo cáo

GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

PGS. TS. Nguyễn Thanh Hải
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH

do an

iv


LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do nhóm tự tìm hiểu, nghiên cứu, thi công dựa trên một số tài liệu trước
đó dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Thanh Hải. Nhóm cam đoan khơng sao
chép bất cứ các tài liệu hay cơng trình nghiên cứu liên quan nào trước đó nhằm mục
đích phục vụ cho đề tài, nếu có, nhóm xin chịu hồn tồn trách nhiệm.

Người thực hiện đề tài
Đinh Ngọc Vĩnh An
Dương Thị Kiều Oanh

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH

do an

v

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong Bộ
mơn Điện Tử Y Sinh nói riêng và các thầy cơ giáo trong Khoa Điện – Điện Tử nói
chung đã nhiệt tình giúp đỡ chúng em về các kiến thức liên quan tới lĩnh vực nghiên
cứu của đề tài trong thời gian thực hiện đề tài, cũng như các kiến thức mà các thầy cô
đã truyền đạt cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến giáo viên hướng dẫn PGS. TS Nguyễn
Thanh Hải đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, cung cấp các kiến thức quan trọng tạo điều
kiện thuận lợi trong thời gian thực hiện đề tài.
Chúng em gửi lời cảm ơn ba mẹ và người thân đã đồng hành và động viên trong
suốt quá trình thực hiện đề tài.
Chúng em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 161290A đã chia sẻ trao
đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong quá trình thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đề tài
Đinh Ngọc Vĩnh An
Dương Thị Kiều Oanh

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH

do an

vi


MỤC LỤC
Trang bìa...................................................................................................................i
Nhiệm vụ đồ án .......................................................................................................ii

Lịch trình .............................................................................................................. iii
Cam đoan ............................................................................................................... v
Lời cảm ơn .............................................................................................................vi
Mục lục .................................................................................................................vii
Liệt kê hình vẽ ........................................................................................................ x
Liệt kê bảng ..........................................................................................................xii
Tóm tắt ............................................................................................................... xiii

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................ 1
1.2 Mục tiêu ........................................................................................................... 2
1.3 Nội dung thực hiện .......................................................................................... 2
1.4 Giới hạn ........................................................................................................... 3
1.5 Bố cục đề tài .................................................................................................... 3

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT............................................................... 4
2.1 Tổng quan về các phương pháp đo .................................................................... 4
2.1.1 Phương pháp đo nhịp tim.............................................................................. 4
2.1.2 Phương pháp đo Sp02 dựa vào hấp thụ quang học....................................... 6
2.1.3 Phương pháp đo nhiệt độ .............................................................................. 7
2.2 Giới thiệu phần cứng ........................................................................................ 8
2.2.1 Cảm biến nhịp tim và nồng độ oxy trong máu MAX30100 ......................... 8
2.2.2 Cảm biến đo nhiệt độ hồng ngoại MXL90614 ............................................. 9
2.2.3 Tổng quan về module Arduino Mega 2560 ................................................ 10
2.2.4 Tổng quan công nghệ Bluetooth ................................................................. 12
2.2.5 Tổng quan về màn hình OLED ................................................................... 14

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH

do an

vii


2.3 Giới thiệu phần mềm ...................................................................................... 14
2.3.1 MIT App Inventor....................................................................................... 14
2.3.2 Phần mềm lập trình Arduino IDE ............................................................... 15

CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ ............................................... 16
3.1 Giới thiệu hệ thống ........................................................................................ 16
3.2 Tính tốn và thiết kế hệ thống ....................................................................... 16
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ...................................................................... 16
3.2.2 Tính tốn và thiết kế các khối ..................................................................... 17
3.2.3 Sơ đồ ngun lý tồn mạch......................................................................... 26

CHƯƠNG 4. THI CƠNG HỆ THỐNG ...................................................... 27
4.1 Giới thiệu ....................................................................................................... 27
4.2 Thi công hệ thống .......................................................................................... 27
4.2.1 Thi công bo mạch ....................................................................................... 27
4.2.2 Đóng gói và thi cơng mơ hình .................................................................... 31
4.3 Lập trình hệ thống .......................................................................................... 36
4.3.1 Lưu đồ giải thuật ......................................................................................... 36
4.3.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển ........................................................ 40
4.3.3 Phần mềm lập trình cho điện thoại ............................................................. 40
4.4 Tài liệu hướng dẫn sử dụng và thao tác ......................................................... 42
4.4.1 Tài liệu hướng dẫn sử dụng ........................................................................ 42
4.4.2 Quy trình thao tác ....................................................................................... 44

CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ.................................. 46
5.1

Kết quả .......................................................................................................... 46

5.1.1 Tổng quan kết quả đạt được ....................................................................... 46
5.1.2 Kết quả thi công phần cứng ........................................................................ 46
5.1.3 Kết quả thi công phần mềm ........................................................................ 48
5.1.4 Kết quả chạy thực tế trên thiết bị ................................................................ 49
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH

do an

viii


5.2 Nhận xét ......................................................................................................... 54
5.3 Đánh giá ......................................................................................................... 55

CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................... 56
6.1 Kết luận .......................................................................................................... 56
6.2 Hướng phát triển ............................................................................................ 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 57
PHỤ LỤC ....................................................................................................... 58

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH

do an

ix

LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình

Trang

Hình 2.1. Cách đo nhịp tim thủ cơng bằng tay .................................................... 4
Hình 2.2. Đo nhịp tim bằng ống nghe ................................................................. 5
Hình 2.3. Đo nhịp tim bằng phương pháp quang ................................................ 6
Hình 2.4. Tư thế đặt ngón tay khi đo nồng độ oxy trong máu ............................ 6
Hình 2.5. Cảm biến nhịp tim MAX30100 ........................................................... 8
Hình 2.6. Cảm biến đo nhiệt độ hồng ngoại MXL90614 .................................... 9
Hình 2.7. Sơ đồ chân cảm biến MXL90614 ...................................................... 10
Hình 2.8. Vị trí chân Arduino Mega ................................................................. 11
Hình 2.9. Ứng dụng Bluetooth điều khiển các thiết bị ngoại vi ........................ 13
Hình 3.1. Sơ đồ khối của hệ thống .................................................................... 17
Hình 3.2. Board Arduino Mega 2560 ................................................................ 20
Hình 3.3. Module tích hợp cảm biến MAX30100............................................. 20
Hình 3.4. Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại khơng tiếp xúc MLX90614 .............. 21
Hình 3.5. Mạch điện khối nút nhấn ................................................................... 22
Hình 3.6. Module Bluetooth HC- 05 ................................................................. 24
Hình 3.7. Mạch cầu phân áp giúp hạn dòng vào chân RX ................................ 24
Hình 3.8. Sơ đồ ngun lý tồn mạch ............................................................... 26
Hình 4.1. Sơ đồ mạch in vẽ bằng phần mềm Altium ........................................ 28
Hình 4 2. Sơ đồ 3D của mạch vẽ bằng phần mềm Altium ................................ 28
Hình 4.3. Mạch in trên giấy ............................................................................... 30
Hình 4.4. Board mạch lớp dưới ......................................................................... 30
Hình 4.5. Board mạch lớp trên .......................................................................... 31
Hình 4.6. Thiết kế hộp đựng (ảnh mơ hình) ...................................................... 32
Hình 4.7. Thi cơng lắp các phần vào hộp đựng ................................................. 32

Hình 4.8. Thiết kế tay cầm ................................................................................ 33
Hình 4.9. Tay cầm đo nhiệt độ khi hồn thành ................................................. 33
Hình 4.10. Thiết kế hộp đựng cảm biến Max30100 .......................................... 34
Hình 4.11. Hộp đựng cảm biến Max30100 khi hồn thành .............................. 34
Hình 4.12. Bên trong mơ hình thiết bị ............................................................... 35
Hình 4.13. Thiết bị sau khi hồn thiện .............................................................. 35
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH

do an

x


Hình 4.14. Lưu đồ giải thuật chương trình ........................................................ 36
Hình 4.15. Lưu đồ chọn chế độ sử dụng ........................................................... 37
Hình 4.16. Lưu đồ chương trình đo nhịp tim, spo2 ........................................... 38
Hình 4.17. Lưu đồ chương trình đo nhiệt độ ..................................................... 39
Hình 4.18. Lưu đồ chương trình cho App ......................................................... 41
Hình 4.19. Các nút nhấn và công tắc trên thiết bị ............................................. 42
Hình 4.20. Cách đo nhịp tim và Spo2 ............................................................... 43
Hình 4.21. Cách đo nhiệt độ trán ....................................................................... 43
Hình 4.22. Nút nhấn chọn chế độ trên App ....................................................... 45
Hình 4.23. Trạng thái hiển thị Bluetooth trước và sau khi kết nối .................... 45
Hình 4.24. File lưu kết quả đo trên App điện thoại ........................................... 45
Hình 4.25. Quy trình chọn chế độ đo nhiệt độ .................................................. 44
Hình 4.26. Quy trình chọn chế độ đo nhịp tim, spo2 ........................................ 45
Hình 4.27. Quy trình thao tác cho thiết bị đo .................................................... 45
Hình 5.1. Chi tiết bên trong thiết bị ................................................................... 47
Hình 5.2. Mơ hình hồn thành ........................................................................... 47
Hình 5.3. Màn hình chính của App ................................................................... 48

Hình 5.4. Giao diện hiển thị kết quả đo nhiệt độ............................................... 48
Hình 5.5. Giao diện hiển thị kết quả đo nhịp tim, Spo2 .................................... 49
Hình 5.6. Kết quả lưu trên file text .................................................................... 49
Hình 5.7. Giao diện khi thiết bị được cấp nguồn .............................................. 50
Hình 5.8. Kết quả hiển thị khi đo nhiệt độ, nhịp tim và Sp02 ........................... 50
Hình 5.9. Kết quả so sánh thực nghiệm đo nhiệt độ ......................................... 50
Hình 5.10. Kết quả so sánh thực nghiệm đo nhịp tim và Spo2 ......................... 52

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH

do an

xi


LIỆT KÊ BẢNG
Bảng

Trang

Bảng 2.1. Thông số kĩ thuật của cảm biến MAX30100………………………….9
Bảng 2.2. Thông số kĩ thuật Arduino Mega 2560……………………………….11
Bảng 2.3. Ưu điểm và nhược điểm công nghệ bluetooth………………………..13
Bảng 2.4. Bảng thông số kỹ thuật OLED………………………………………..14
Bảng 3.1. Công suất tiêu thụ của mạch điện…………………………………….18
Bảng 4.1. Danh sách các dụng cụ thi công mạch………………………………..27
Bảng 4.2. Danh sách các linh kiện, module, cảm biến sử dụng trong hệ thống…29
Bảng 4.3. Chi tiết các linh kiện, vật liệu để thi cơng mơ hình…………………..34
Bảng 5.1. Bảng so sánh thiết bị với nhiệt kế hồng ngoại………………………..51
Bảng 5.2. Bảng so sánh giá trị nhịp tim, Spo2 đo được trên máy theo dõi monitor

comen và thiết bị khi người đo ở trạng thái bình thường………………………..53
Bảng 5.3. Bảng so sánh giá trị nhịp tim, Spo2 đo được trên máy theo dõi monitor
comen và thiết bị khi người đo vừa tập thể dục………………………………….53

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH

do an

xii


TĨM TẮT
Ngày nay, khi khoa học cơng nghệ phát triển một cách mạnh mẽ, việc ứng dụng
các thiết bị điện tử vào đời sống ngày càng trở nên phổ biến. Trong đó nhu cầu theo
dõi sức khỏe ngày càng trở nên cần thiết và được ứng dụng nhiều trong chăm sóc sức
khỏe y tế. Nhịp tim, nồng độ oxy trong máu và nhiệt độ là 3 yếu tố quan trọng để xác
định tình trạng sức khỏe. Biết được thơng số nhịp tim giúp mọi người khi luyện tập
thể thao xác định được ngưỡng hoạt động của nhịp tim để không vận động quá sức
gây hại tới sức khỏe hoặc bị chấn thương. Theo dõi nhịp tim thường xuyên còn giúp
mọi người phát hiện kịp thời các bệnh lý về rối loạn nhịp tim.
Nội dung của đề tài là áp dụng những kiến thức điện tử đã học để thiết kế mạch
đo các chỉ số như nhịp tim, nồng độ oxy trong máu và nhiệt độ. Mạch gồm các cảm
biến nhiệt độ, nhịp tim, nồng độ oxy trong máu giao tiếp với bộ điều khiển trung tâm
là Aduino Mega 2560. Không chỉ hiển thị các dữ liệu thông qua OLED, mạch cịn
hiển thị dữ liệu qua App nhờ module Bluetooth. Mơ hình cũng được thiết kế dạng
hình khối chứa đựng tất cả mạch và cảm biến sử dụng. Số liệu hiển thị trên trên OLED
và App trực quan, dễ nhìn. Người dùng có thể dựa vào những dữ liệu đó để có các
quyết định và biện pháp phịng tránh bệnh một cách kịp thời.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH

do an

xiii


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, khi khoa học công nghệ phát triển một cách mạnh mẽ, việc ứng dụng
các thiết bị điện tử vào đời sống ngày càng trở nên phổ biến. Trong đó nhu cầu theo
dõi sức khỏe ngày càng trở nên cần thiết và được ứng dụng nhiều trong chăm sóc sức
khỏe y tế. Nhịp tim, nồng độ oxy trong máu và nhiệt độ là 3 yếu tố quan trọng để xác
định tình trạng sức khỏe. Biết được thơng số nhịp tim giúp mọi người khi luyện tập
thể thao xác định được ngưỡng hoạt động của nhịp tim để không vận động quá sức
gây hại tới sức khỏe hoặc bị chấn thương. Theo dõi nhịp tim thường xuyên còn giúp
mọi người phát hiện kịp thời các bệnh lý về rối loạn nhịp tim [1].
Ngoài ra, theo dõi chỉ số Sp02 thường xuyên sẽ giúp bạn nắm rõ lượng oxy trong
máu, biết được khi nào bạn cần thêm oxy cho cơ thể hoặc có những xử lý kịp thời khi
lượng oxy trong máu giảm đột ngột. Bên cạnh đó, nhiệt độ cơ thể cũng góp phần quan
trọng trong việc chuẩn đốn sức khỏe. Nhiệt độ cơ thể là thước đo khả năng sinh ra
và thoát nhiệt của cơ thể. Trong cơ thể người, năng lượng khơng ngừng được tạo ra
trong q trình chuyển hóa. Sự ổn định thân nhiệt là điều kiện quan trọng cho sự hoạt
động bình thường của các cơ quan nội tạng. Vì vậy, thường xuyên theo dõi nhiệt độ
cơ thể góp phần phát hiện kịp thời những vấn đề về sức khỏe.
Hiện nay cũng có nhiều đồ án và bài nghiên cứu làm về thiết bị đo nhịp tim, và
nồng độ oxy trong máu. Luận văn Thạc Sĩ của Đỗ Văn Ngọc làm đề tài “Nghiên cứu
thiết kế mô hình máy đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu”. Đề tài này nghiên cứu
phương pháp đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu không xâm lấn sử dụng kỹ thuật

truyền xuyên qua. Tập trung thiết kế bộ tiền xử lý tín hiệu và mạch xử lý trung tâm,
đồng thời nghiên cứu sử dụng môi trường Java Eclipse để xây dựng phần mềm trên
hệ điều hành Android để hiển thị giá trị các thông số. Thiết bị này sử dụng vi điều
khiển tiêu thụ nguồn thấp của Texas Instruments là MSP430 làm bộ xử lý trung tâm,
vi điều khiển này có tích hợp các bộ DAC, ADC phục vụ cho việc lấy mẫu tín hiệu.
Truyền dữ liệu qua giao tiếp Bluetooth [2].

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH

do an

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Bên cạnh đó, cịn có dự án của tác giả Ashwini Kumar với đề tài “Máy đo nhịp tim
và Oxy trong máu thông minh với hệ thống tiết kiệm dữ liệu tự động”. Dự án này sử
dụng board Arduino Uno làm bộ xử lý trung tâm, cảm biến Max30100 cảm biến giá
trị nhịp tim và nồng độ oxy trong máu. Giá trị các thông số được hiển thị trên App
Inventor trên điện thoại Android. Dữ liệu được truyền lên thơng qua giao tiếp
Bluetooth [3]. Ngồi ra, với ý tưởng đo nhiệt độ khơng tiếp xúc cũng có dự án của
tác giả Konstantin Dimitrov với đề tài “Nhiệt kế Oled không tiếp xúc”, giá trị nhiệt
độ được đo bằng cảm biến nhiệt độ hồng ngoại MLX90614 và hiển thị trên Oled với
bộ xử lý trung tâm là board Arduino Uno. Giá trị cảm biến được gửi lên Oled qua
chuẩn giao tiếp I2C [4].
Với những thực tế trên, nhóm em xin tìm hiểu và nghiên cứu đề tài “Thiết kế và
thi công thiết bị đo nhịp tim, nồng độ Oxy trong máu và nhiệt độ.”. Với thiết bị này
người dùng có thể đo 3 thơng số sức khỏe là nhịp tim, nồng độ Oxy trong máu và
nhiệt độ cơ thể. Số liệu các chỉ số sẽ được hiển thị trên App Inventor đồng thời sẽ
được lưu trữ dưới dạng tệp tài liệu để dễ dàng chia sẻ thông tin khi cần sự tư vấn từ

bác sĩ. Bên cạnh đó, thiết bị cịn có hệ thống cảnh báo qua cịi buzzer khi một trong
các chỉ số không nằm trong ngưỡng bình thường. Thiết bị này sử dụng bộ xử lý là
board Arduino Mega 2560 R3 sử dụng vi điều khiển Atmega 2560 làm trung tâm xử
lý các tín hiệu nhận được từ cảm biến. Kết quả sẽ được hiển thị lên màn hình Oled
được gắn trên thiết bị và hiển thị trên điện thoại thông qua App Inventor bằng công
nghệ Bluetooth [5].

1.2 MỤC TIÊU
Thiết kế và thi công thiết bị đo các thông số sức khỏe là nhịp tim, nồng độ Oxy
trong máu và nhiệt độ cơ thể. Thiết bị hiển thị giá trị trên màn hình Oled và App
Inventor trên điện thoại Android. Ngồi ra, thiết bị cịn có khả năng cảnh báo thơng
qua cịi buzzer cho người dùng khi thơng số đo được khơng nằm trong ngưỡng bình
thường.

1.3 NỘI DUNG THỰC HIỆN
Đề tài được thực hiện dựa trên những nội dung sau đây:
Nội dung 1: Tìm hiểu cơ sở lý thuyết từ đó lựa chọn giải pháp cho đề tài.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH

do an

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Nội dung 2: Thiết kế sơ đồ khối, chức năng các khối, tính tốn chọn giá trị linh kiện
cho các khối.
Nội dung 3: Thiết kế hệ thống điều khiển.
Nội dung 4: Thi công các khối cảm biến, khối xử lý và hiển thị.
Nội dung 5: Lập trình viết App chạy trên nền tảng Android, kết nối App trên điện

thoại và thiết bị.
Nội dung 6: Chạy thử nghiệm thiết bị, đánh giá kết quả đạt được, đề ra hướng phát
triển.
Nội dung 7: Làm slide báo cáo, viết báo cáo đề tài.

1.4 GIỚI HẠN
-

Thiết bị đo nhịp tim, nồng độ oxy trong máu và nhiệt độ chỉ dùng trong môi
trường khô ráo không thấm nước.

-

Thiết bị đo nhịp tim, nồng độ oxy trong máu và nhiệt độ khơng có chức năng
phân tích các thơng số để đưa ra chuẩn đoán về sức khỏe.

-

Thiết bị đo nhịp tim, nồng độ oxy trong máu và nhiệt độ chỉ kết nối được với
điện thoại qua Bluetooth trong phạm vi bán kính 10m.

1.5 BỐ CỤC ĐỀ TÀI
Bố cục bài báo cáo được trình bày thành 6 phần như sau:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan đề tài, mục tiêu nghiên cứu, giới hạn, nội dung thực
hiện và bố cục đề tài.
Chương 2: Cơ sở lí thuyết, chương này tập trung tìm hiểu lí thuyết liên quan đến đề
tài bao gồm kiến thức về linh kiện, thiết bị được sử dụng trong hệ thống.
Chương 3: Tính tốn và thiết kế, chương này sẽ đi trình bày một cách chi tiết về mơ
hình của hệ thống bao gồm sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống.
Chương 4: Thi công hệ thống. Dựa vào thiết kế hệ thống, tiến hành thi công phần

cứng và phần mềm của hệ thống.
Chương 5: Kiểm tra đánh giá kết quả đo được. Chương này trình bày kết quả đồng
thời đưa ra lời nhận xét, đánh giá về mục tiêu đã trình bày ở chương 2.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển. Chương này viết ra những điều đã đạt được
và những hạn chế của đề tài. Từ đó đánh giá đưa ra giải pháp cho đề tài.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH

do an

3


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THYẾT

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO
2.1.1 Phương pháp đo nhịp tim
Hiện nay trong lĩnh vực y học có rất nhiều phương pháp để đo xác định nhịp
tim khác nhau. Nhìn chung các phương pháp đo là giống nhau, chỉ khác nhau ở hình
thức đo và chia làm ba phương pháp là: thủ công, xâm lấn và không xâm lấn [6].
Phương pháp 1: Phương pháp thủ công
Đo nhịp tim bằng nhấn ngón tay sử dụng mặt trong của hai ngón tay áp sát vào

-

mặt trong của cổ tay bên kia - chỗ có những nếp gấp cổ tay (hai tay ngược nhau).
Bấm nhẹ vào đó cho đến khi cảm thấy nhịp đập. Nếu cần thiết, có thể di chuyển
ngón tay xung quanh đó cho đến khi bạn cảm thấy nhịp đập. Sau đó dùng đồng
hồ để xác định số nhịp tim. Hoặc đặt 2 ngón tay vào một bên cổ nơi giao nhau
giữa khí quản và các cơ lớn ở cổ. Bấm nhẹ cho đến khi bạn cảm thấy nhịp đập.

Cách đo được miêu tả rõ ở hình 2.1 bên dưới.

Hình 2.1. Cách đo nhịp tim thủ cơng bằng tay

-

Đo nhịp tim bằng dùng ống nghe đeo tai, tư thế đo như hình 2.2. Đầu tiên, ta
nghe và kiểm tra ống nghe, mùa đông cần xoa làm ấm loa nghe trước khi nghe.
Đặt ống nghe lên các vị trí nghe tim, mỗi lần đặt ống nghe 10 -20 giây. Sau đó
dùng đồng hồ để xác định số nhịp tim. Trong quá trình đo cần thả lỏng cơ thể,
ngồi ở tư thế thoải mái.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH

do an

4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THYẾT

Hình 2.2. Đo nhịp tim bằng ống nghe
Nhận xét: Đây là các phương pháp phổ biến, đơn giản, dễ đo. Chi phí khi đo khơng
đáng kể. Kết quả đo có độ chính xác phụ thuộc vào người đo, có sự sai sót do chênh
lệch thời gian đếm của người đo và đồng hồ đếm thời gian. Tốn nhiều thời gian, công
sức để đo.
Phương pháp 2: Phương pháp xâm lấn
Sử dụng các điện cực để đo nhịp tim trong một khoảng thời gian, dòng điện từ
nguồn sẽ đi qua các điện cực vào cơ thể rồi phản hồi lại các thông tin nhịp tim. Các
điện cực sẽ được gắn lên vùng ngực đã được cồn khử trùng, dùng bằng dán cố định

dây và điện cực, dụng cụ sẽ được khởi động và đo liên tục từ 24-48 tiếng, dữ liệu sẽ
được lưu trữ vào một bộ nhớ.
Nhận xét: là phương pháp có độ chính xác cao, được sử dụng nhiều trong các bệnh
viện, trung tâm khám sức khỏe, có thể đo được nhiều thơng số trong cùng một khoảng
thời gian. Nhưng có thể gây ra các tác dụng phụ như dị ứng da do tiếp xúc dòng điện
cực hay các chất để dán cố định, gây cảm giác khó chịu.
Phương pháp 3: Phương pháp khơng xâm lấn
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 thế ta có
thể đo nhịp tim bằng cách đo những sự thay đổi đó. Khi lượng máu trong thành động
mạch thay đổi sẽ làm thay đổi mức 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 nhịp 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. Ánh sáng sau khi truyền qua ngón tay gồm hai
thành phần AC và DC
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH

do an

5


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THYẾT
-

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 của nhịp
tim.
Người ta ứng dụng hiện tượng này của ánh sáng để thực hiện đo nhịp tim bằng
phương pháp quang, nguyên lý đo được thể hiện ở hình 2.3 bên dưới.

Hình 2.3. Đo nhịp tim bằng phương pháp quang
Nhận xét: đơn giản, dễ sử dụng, thiết bị gọn nhẹ, sử dụng thoải mái, khơng gây khó
chịu, thời gian đo nhanh. Phương pháp này có sai số khá cao, khoảng 15%, khơng
thích hợp để theo dõi bệnh nhân trong thời gian dài. Hiện tại, hai phương pháp trên
được sử dụng khá phổ biến, tuy nhiên do yêu cầu về độ chính xác và theo mục tiêu
ban đầu của đề tài, nhóm đã quyết định chọn đo nhịp tim bằng phương pháp quang.
2.1.2 Phương pháp đo Sp02 dựa vào hấp thụ quang học

Hình 2.4. Tư thế đặt ngón tay khi đo nồng độ oxy trong máu
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH

do an

6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THYẾT
Vị trí đặt cảm biến hợp lý nhất là các đầu ngón tay như hình 2.4, tuy động
mạch ở vị trí này khơng q lớn nhưng bề dày cơ thể ánh sáng phải truyền qua lại
tương đối ít nên chỉ cần dùng 1 LED làm nguồn phát. Mặt khác, ở vị trí này cho mức
độ biến thiên cường độ ánh sáng nhận được là khá lớn so với toàn bộ ánh sáng nhận
được, tỉ số giữa biên độ tín hiệu với nền một chiều là đủ lớn để phần xử lý tín hiệu

hoạt động đưa ra kết quả chính xác nhất. Tuy nhiên, khi đo cần giữ ngón tay khơng
dịch chuyển, sẽ ảnh hưởng tới độ chính xác của kết quả đo.
Một thiết bị ở một bên của đầu dò phát ra ánh sáng đỏ (660nm) và hồng ngoại
(880nm). Đầu dò (photodetecter) sẽ đặt quanh ngón tay để thu nhận ánh sáng. Dựa
vào sự hấp thụ của hai loại tế bào hemoglobin với các bước sóng khác nhau, ta xác
định được thơng số SpO2. Mức độ hấp thụ ánh sáng của một bước sóng xác định phụ
thuộc vào bản chất môi trường vật chất. Sau khi cảm biến quang đã nhận được các
tia ánh sáng đỏ (R) và tia hồng ngoại(IR), tỉ lệ R/IR sẽ được đem ra so sánh với bảng
tra cứu chuẩn được các nhà thiết kế máy đo xây dựng sẵn để chuyển đổi sang giá trị
Sp02 tương ứng [7].

2.1.3 Phương pháp đo nhiệt độ
Phương pháp 1: Phương pháp đo trực tiếp
Phương pháp đo trực tiếp: Tính chất vật lí chung của nhiệt độ là ln truyền
từ vật nóng sang vật lạnh hơn. Lợi dụng tính chất này cho tiếp xúc nhiệt kế vào vật
cần đo, nhiệt độ từ vật sẽ truyền sang nhiệt kế cho đến khi đạt đến trạng thái cân bằng
nhiệt thì số chỉ nhiệt kế là số chỉ nhiệt độ của vật. Thiết bị ứng dụng tính chất này để
đo nhiệt độ là nhiệt kế thủy ngân
Phương pháp 2: Phương pháp đo gián tiếp
Phương pháp đo nhiệt độ gián tiếp sử dụng thiết bị đo nhiệt độ từ xa (thường
gọi là súng đo nhiệt độ hồng ngoại hay súng hồng ngoại). Phương pháp này sử dụng
khi đo nhiệt độ bề mặt của vật ở xa, cao, khó tiếp cận, trong môi trường khắc nghiệt
(đường ống trên cao, nhiệt độ khu vực q nóng và nguy hiểm đến tính mạng) [8].
Nhận xét: Ở hai phương pháp trên, mỗi phương pháp sẽ có những ưu nhược điểm
khác nhau. Tùy thuộc vào yêu cầu và mục đích sử dụng chúng ta có thể chọn ra những
dụng cụ đo nhiệt độ phù hợp. Theo mục tiêu ban đầu của nhóm là đo nhiệt độ khơng
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP- Y SINH

do an

7


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THYẾT
tiếp xúc nên nhóm sẽ chọn phương pháp đo gián tiếp bằng việc sử dụng cảm biến
hồng ngoại không tiếp xúc.

2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
Thiết bị đầu vào là nút nhấn, cảm biến nhịp tim và nồng độ oxy trong máu
MAX30100 và cảm biến nhiệt độ MLX90614. Thiết bị đầu ra sử dụng Led, buzzer.
Bộ điều khiển trung tâm là vi điều khiển Atmega 2560. Sử dụng chuẩn truyền dữ liệu
có dây I2C và truyền không dây qua module Bluetooth. Thiết bị lưu trữ là bộ nhớ
RAM. Nguồn cấp là 2 Pin Cell 18650 4200mAh 3.7V.

2.2.1 Cảm biến nhịp tim và nồng độ oxy trong máu MAX30100
Cảm biến MAX30100 của hãng Maxim là module tích hợp có khả năng đo
được nồng độ oxy trong máu và nhịp tim. Đây là một cảm biến quang học, nó phát ra
hai bước sóng ánh sáng từ hai đèn LED (LED đỏ và một LED hồng ngoại) như trong
hình 2.5. Sau đó đo sự hấp thụ của mạch đập (pulsing blood) bằng cách thu tín hiệu
thơng qua một bộ cảm biến ánh sáng (photodetector). Sự kết hợp màu LED được sử
dụng để đọc dữ liệu ở đầu ngón tay. Từ đó xác định được nồng độ oxy trong máu và
nhịp tim [9].

Hình 2.5. Cảm biến nhịp tim MAX30100
Cảm biến có đặc điểm là tích hợp IC MAX30100 của Maxim, đây chính là bộ
cảm biến quang học gồm hai LED, được tối ưu và giảm nhiễu. Bên cạnh đó có sử
dụng nguyên lý đo hấp thụ quang học của máu với tốc độ lấy mẫu dựa trên trạng thái
LED có thể lập trình được phục vụ cho mục đích tiết kiệm năng lượng. Giao tiếp
thông qua I2C. Chi tiết về cảm biến được thể hiện rõ ở thông số kỹ thuật trong bảng
2.1 bên dưới.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH

do an

8


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THYẾT

Bảng 2.1. Thông số kĩ thuật của cảm biến MAX30100
STT THÔNG SỐ

GIÁ TRỊ

1

IC

MAX30100

2

Điện áp hoạt động

1.8V – 3.3V (DC)

3

Dòng hoạt động thấp

0.7 (uA)

4

Giá trị ADC

16-bit

5

Tốc độ đọc dữ liệu

50Hz to 1kHz

6

Cảm biến quang

IR led hồng ngoại & bộ tách sóng quang

7

Hỗ trợ giao tiếp

I2C

8

Nhiệt độ hoạt động

-40 ° C đến +85 ° C

2.2.2 Cảm biến đo nhiệt độ hồng ngoại MXL90614

Hình 2.6. Cảm biến đo nhiệt độ hồng ngoại MXL90614
Cảm biến MXL90614 được sử dụng để đo nhiệt độ. Nhiệt kế được gắn đầu
phát để phát ra tia hồng ngoại (hình 2.6) từ đó có thể đo nhiệt độ vật mà không cần
tiếp xúc. MLX90614 tích hợp cả chip dị nhiệt độ nhạy IR. Điều này cho phép độ
chính xác và độ phân giải cao của nhiệt kế. Nhiệt độ đo được trong phạm vi nhiệt độ
hoàn chỉnh với độ phân giải 0,02 ° C.
Nhiệt độ đo được trong phạm vi từ -20 đến 120 ° C, với độ phân giải đầu ra là
0,14 ° C. Cảm biến MLX90614 có 4 chân thể hiện ở hình 2.7 cùng với vỏ bọc ngồi
và thân. Hai chân dùng để giao tiếp I2C với oled là SCL và SDA. SCL có tác dụng

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP- Y SINH

do an

9


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THYẾT
để đồng bộ hóa giữa các thiết bị khi truyền dữ liệu, còn SDA là dây dữ liệu truyền
qua. 2 chân còn lại dùng để nối nguồn và đất [10].

Hình 2.7. Sơ đồ chân cảm biến MXL90614

Nguyên lí hoạt động của cảm biến MLX90614 dựa trên sóng hồng ngoại, loại
sóng này có bước sóng dài và mang đến ánh sáng tốt. Hầu hết các cảm biến đo nhiệt
độ hồng ngoại sẽ có bước sóng từ 0.8µm đến 14µm. Tất cả các phép đo nhiệt độ trên

0°K đều phát ra bức xạ điện từ. Từ nguyên lý này, cảm biến hồng ngoại sẽ thu được
bức xạ điện từ trên vật. Sau đó truyền dữ liệu về cho vi xử lý để tính tốn ra được
nhiệt độ của vật đó. Module cảm biến MLX90614, cảm biến thích hợp cho việc đo
nhiệt độ không tiếp xúc. Đầu ra là tín hiệu số, đầu vào là tín hiệu tương tự.
Cảm biến có đặc điểm hoạt động ở 3.3 - 5 V. Có thể điều chỉnh độ nhạy cảm
biến thơng qua phần mềm lập trình. Kích thước nhỏ, chi phí thấp, thời gian đáp ứng
nhanh. Cảm biến hoạt động ổn định, tiết kiệm năng lượng. Khoảng cách đo nhỏ hơn
1 m với phạm vi nhiệt độ đo rộng: (-40 đến + 85 ° C trong nhiệt độ cảm biến) và (-70
đến + 380 ° C nhiệt độ của đối tượng).

2.2.3 Tổng quan về module Arduino Mega 2560
Arduino Mega 2560 là board mạch vi điều khiển xây dựng dựa trên vi điều
khiển Atmega 2560. Nó có 54 chân I/O (trong đó có 15 chân có thể sử dụng làm chân
ouput với chức năng PWM), 16 chân đầu vào Analog, 4 UART, 1 thạch anh 16Mhz,
1 cổng USB, 1 jack nguồn, 1 header, 1 nút nhấn reset (hình 2.8). Nó chứa mọi thứ
cần thiết hỗ trợ cho người lập trình vi điều khiển, đơn giản chỉ việc kết nối nó với
máy tính bằng cable USB là có thể bắt đầu học tập. Mach Arduino 2560 sử dụng

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH

do an

10


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THYẾT
tương thích với phần lớn các Shield của Arduino UNO [11]. Chi tiết về đặc điểm của
Arduino Mega 2560 được mô tả rõ ở bảng 2.2 thơng số kỹ thuật.

Hình 2.8. Vị trí chân Arduino Mega

Bảng 2.2. Thơng số kĩ thuật Arduino Mega 2560
STT

THƠNG SỐ

GIÁ TRỊ

1

Vi điều khiển chính

Atmega2560

2

Điện áp hoạt động

5VDC

3

Dịng ra tối đa (5V)

500 mA

4

Giao tiếp I2C

1 bộ

5

EEPROM

4KB

6

Thạch anh

16MHz

7

Giao tiếp UART

4 bộ UART

8

Dòng ra tối đa trên mỗi chân I/O 20mA

9

Số chân digital

54

10

Số chân analog

16

11

Ngắt ngoài

6 chân

12

Giao tiếp SPI

1 bộ (chân 50 đến 53) dùng với
thư viện SPI

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH

do an

11