THIẾT KẾ MẠCH ĐO NHỊP TIM VÀ NỒNG ĐỘ OXY TRONG MÁU

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.43 MB, 25 trang )

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI </b>

<b>TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ </b>

*****************

<b>ĐỒ ÁN II </b>

<b>THIẾT KẾ MẠCH ĐO NHỊP TIM VÀ NỒNG ĐỘ OXY TRONG MÁU</b>

<b>THIỀU QUANG HUY </b>

<b>Ngành Kỹ thuật Điều khiển – Tự động hóa Chuyên ngành Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp</b>

<b>Giảng viên hướng dẫn: </b> TS. Trần Thị Anh Xuân

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

Họ và tên sinh viên: Thiều Quang Huy MSSV: 20191898

Khóa: 64. Trường: Điện – Điện tử Ngành: KT Điều khiển & Tự động hóa 1. Tên đề tài

Thiết kế thiết bị đo nhịp tim/ nồng độ oxy trong máu 2. Nội dung đề tài:

- Tìm hiểu về cơ chế hoạt động của cảm biến nhịp tim - Thiết kế mạch đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ của cô Trần Thị Anh Xuân cùng các anh chị đi trước.

Em xin cảm ơn cô Trần Thị Anh Xuân đã sát sao, tận tình giúp đỡ. Cảm ơn các anh chị khóa trước đã giúp đỡ em về một số phần kiến thức. Trong thời gian làm việc với cơ, em đã tìm hiểu và tiếp thu them được nhiều kiến thức.

Em xin chân thành cảm ơn!

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

Ngày nay, mọi người thường ít dành sự quan tâm đến các vấn đề sức khoẻ tim mạch, do căn bệnh này không quá phổ biến và thường xảy ra đột ngột, bất ngờ mà hay đem lại những hậu quả khơn lường.Vì thế bản thân em muốn thực hiện đề tài “THIẾT KẾ MẠCH ĐO NHỊP TIM VÀ NỒNG ĐỘ OXY TRONG MÁU”. Mục đích muốn giúp ta có thể theo dõi sức khoẻ tim mạch người dùng một cách linh hoạt, hiệu quả, từ đó có thể phát hiện những bất thường trong sức khoẻ tim mạch để có biện pháp tốt nhất cho bản thân.

Trong khuôn khổ Đồ án 2 em xin phép thiết kế lại mơ hình cơ bản của mạch đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu.Hệ thổng gồm mạch đo sử dụng cảm biến MAX30100 giao tiếp với vi điều khiển Arduino Uno. Bộ hiển thị gồm có LCD đủ đề người dùng có thề theo dõi tỉnh trạng sức khỏe của minh. Trên màn hình gồm có các chi sổ nhịp tim, SP02. Những phần phát triển thêm em xin được tiếp tục phát triển ở các Đồ án tiếp theo.

Đồ án 2 của em bao gồm các phần sau:

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐO NHỊP TIM CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ.

CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ -KIỂM TRA. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN.

Trong quá trình thực hiện đề tài, em đã được học thêm và tiếp thu các kiến thức mới từ cô cũng như qua các tài liệu. Song, dù đã cố gắng hết sức, nhưng do điều kiện, kiến thức và kinh nghiệm của bản thân còn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được những đóng góp ý kiến của cơ để có thể tiếp tục phát triển đề tài này về sau.

Sinh viên thực hiện

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

<b>CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ... 6</b>

1.1 Giới thiệu chung ... 6

1.2 Một số sản phẩm trong thực tế ... 6

Vịng đeo tay thơng minh Mi Band ... 6

Đồng hồ thông minh Apple Watch ... 7

1.3 Mục tiêu thiết kế ... 8

1.4 Tổng quan nội dung ... 8

<b>CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ... 9</b>

2.1 Lý thuyết về nhịp tim và phương pháp đo ... 9

Khái niệm nhịp tim ... 9

Nồng độ oxy trong máu ... 10

Đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu ... 10

2.2 Tìm hiểu chung về I2C ... 11

Khái niệm ... 11

Cách thức hoạt động ... 11

Khung truyền I2C ... 12

Quá trình truyền nhận dữ liệu: ... 13

Các chế độ hoạt động của I2C: ... 14

<b>CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ ... 15</b>

3.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống ... 15

3.2 Linh kiện cần thiết để làm mạch đo nhịp tim và SpO2 ... 15

Vi điều khiển Arduino Uno ... 15

Cảm biến MAX30100 ... 17

Màn hình LCD1620 ... 18

Triển khai mạch phần cứng ... 19

3.3 Lập trình giao tiếp Arduino Uno ... 19

<b>CHƯƠNG 4. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ... 21</b>

<b>CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN ... 23</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

Hình 1: Dây đeo tay Mi Band 7 ... 7

Hình 2: Đồng hồ thơng minh Apple Watch ... 7

Hình 3: Nhịp tim của người trưởng thành qua từng độ tuổi ... 9

Hình 4: Đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu ... 11

Hình 11: Sơ đồ nối dây mạch ... 19

Hình 12: Khởi tạo màn hình và đọc dữ liệu ... 19

Hình 13: Hiển thị thơng số lên màn ... 20

Hình 14: Ảnh thực tế mạch sau khi lắp xong ... 21

Hình 15: Kết quả ... 21

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

<b>CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI </b>

<b>1.1 Giới thiệu chung </b>

Ngày nay với sự phát triển của ngành điện tử và ứng đụng điện tử đã giúp sự sáng tạo của con người trở thành hiện thực. Ngành điện tử và ứng dụng điện tử vào lĩnh vực y sinh đã tạo chỗ đứng và khẳng định được tầm quan trọng của mình đối với nhu cầu của con người. Nhưng sự cố ảnh hưởng đền sức khỏe có thể xảy ra bất cứ lúc nào với chúng ta nếu như chúng ta chưa có sự quan tâm chưa đúng về vần đề tim mạch trong đời sống thường ngày.

Mặc dù trình độ khoa học kỹ thuật trong nước về lĩnh vực y tế đang có những bước.tiến lớn, tuy nhiên do là một nước đang phát triển, việc chăm lo đảm bảo cho sức khỏe người dân cũng có nhiều hạn chế và chưa được thật sự chú trọng. Với những nước phát triển như Mỹ, Anh, Úc, ... việc theo dõi chăm sóc sức khỏe là cần thiết và rất được chú trọng. Có rất nhiều phần mềm theo đõi sức khỏe được lập trình với giao diện thân thiện người đùng, rất đễ sử đụng trên smartphone hay tablet, PC, laptop, vv kết hợp với các bệnh viện. Các tập đồn, cơng ty lớn cũng rất chú trọng đến mảng y sinh với các sản phẩm phần cứng theo đõi sức khỏe như Apple Watch, Xiaomi Band, Samsung Gear Fit Wearables,… đi kèm với phần mềm hỗ trợ tích hợp trên smartphone, tablet.

Các thông số để có thể đánh giá được gần đúng tình trạng sức khỏe bao gồm: nhịp tim, huyết áp, nhiệt độ cơ thể. Tuy nhiên, với những hạn chế như trình độ, thời gian của thực hiện đồ án, yếu tố về công nghệ, đồ án sẽ chỉ tập trung vào giá trị nhịp tim, ngồi ra cịn ngun cứu nồng độ Oxy trong máu. Đối tượng chúng em chọn để theo dõi ở đây là người cao tuổi và người có tiền sử về tim mạch nên việc di chuyển đến bệnh viện để kiểm tra thường xuyên là rất khó khăn. Vì vậy em đã đưa ra ý tưởng làm một thiết bị đo điện tim nhỏ gọn. Mục đích giúp chúng ta có thể theo dõi sức khỏe của người cao tuổi hoặc người có tiểu sử về tim mạch sử dụng tại gia đình một cách linh hoạt nhất. Thiết bị sẽ có chức năng đo nhịp tim và được hiển thị dạng số. Nêu em đã quyết định chọn đề tài: “Thiết kế mạch nhịp tim và nồng độ oxy trong máu” để thực hiện làm đồ án.

<b>1.2 Một số sản phẩm trong thực tế </b>

<b>Vịng đeo tay thơng minh Mi Band </b>

Xiaomi có lẽ là một thương hiệu không cịn xa lạ gì với đại đa số người dùng hiện tại. Tuy nhiên có lẽ đa phần đều biết đến nó như một hãng điện thoại mà chưa biết đây là một hãng nổi tiếng với những sản phẩm đồng hồ, dây đeo thơng minh có khả năng đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu.

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

Ngoài việc là những sản phẩm đến từ thương hiệu có tên tuổi, các vịng đeo tay của Xiaomi cịn nổi bật với thiết kế đẹp, nhiều tính năng cùng các công nghệ hiện đại khác.

Một số sản phẩm đeo tay Xiaomi đang phổ biến hiện nay có thể kể đến dịng sản phẩm Mi Band mà mới nhất đã là thế hệ thứ 7.

<b>Đồng hồ thông minh Apple Watch </b>

Apple là thương hiệu cơng nghệ khơng cịn xa lạ gì với chúng ta. Hiện nay, ngoài các sản phẩm xuất hiện rất nhiều trên thị trường như iPhone, iPad,…thì họ cịn sản xuất cả đồng hồ thông minh, đương nhiên là kèm theo rất nhiều công nghệ hiện đại giúp theo dõi các chỉ số về tim mạch.

<i>Hình 2: Đồng hồ thơng minh Apple Watch </i>

Ngồi những tính năng hiện đại được tích hợp kèm thì dịng sản phẩm này ln thiết kế rất đẹp, cảm giác đeo thoải mái cả những khi hoạt động thể thao nên

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

luôn được khách hàng săn đón mỗi khi có sản phẩm mới ra mắt, cũng bởi Apple là thương hiệu lớn trên thế giới.

<b>1.3 Mục tiêu thiết kế </b>

 Mục tiêu thiết kế: Thiết kế mạch đo với các yêu cầu

Thiết kế và thi công mô hình hệ thống theo dõi, giám sát nhịp tim, nồng độ oxy trong máu, tức thời và có thể hoạt động liên tục, đồng thời gửi các thông số dữ liệu đo được và hiển thị lên màn hình LCD.

 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:<small> </small>

 Đối tượng nghiên cứu về phần mềm là các giải thuật để đo được nhịp tim, nồng độ oxi trong máu từ cảm biến MAX30100 chính xác, tức thời, đảm bảo hệ thống hoạt động đúng<small>. </small>

 Cách thức lập trình Arduino Uno<b> xuất lên màn hình. 1.4 Tổng quan nội dung </b>

 Tiến hành nghiên cứu về nhịp tim và nồng độ oxy trong máu.

 Tìm hiểu các linh kiện cần sử dụng: vi điều khiển Arduino Uno, cảm biến MAX30100, LCD 1602A.

 Đọc cảm biến thu được giá trị và truyền qua giao tiếp I2C.  Thiết kế mạch điều khiển màn hình.

 Xử lý và xuất dữ liệ lên màn LCD dạng số.  Thiết kế và thi cơng mơ hình hồn chỉnh.

 Đánh giá kết quả thực hiện và so sánh với các thiết bị hiện có trên thị trường

 Viết báo cáo đề tài.

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

<b>CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT </b>

<b>2.1 Lý thuyết về nhịp tim và phương pháp đo Khái niệm nhịp tim </b>

 Nhịp tim là tốc độ nhịp tim đo bằng số lần co thắt (nhịp đập) của tim mỗi phút (BPM - beat per minute). Nhịp tim có thể thay đổi theo nhu cầu thể chất của cơ thể, bao gồm cả nhu cầu hấp thu oxy và bài tiết carbon dioxit. Các hoạt động có thể tạo ra thay đổi bao gồm tập thể dục, ngủ , lo lắng, căng thẳng, bệnh tật và khi uống thuốc. Chỉ số nhịp tim bình thường là khác nhau giữa các cá thể, phụ thuộc vào giới tính, độ tuổi, tình trạng sức khỏe, . Sự thay đổi của chỉ số nhịp tim có thể là dấu hiệu cho thấy một sự thay đổi của trạng thái tim, qua đó có thể phản ánh tình trạng sức khỏe cơ thể. Nhịp tim được đo theo đơn vị nhịp/phút.

 Thời điểm tốt nhất để xác định nhịp tim nghỉ ngơi là buổi sáng, sau khi thức dậy. Ta có thể đặt ngón trỏ và ngón giữa lên cổ tay hoặc một bên cổ để đếm nhịp tim trong vòng 60 giây. Như đã trình bày ở trên, nhịp tim

thông thường ở người trưởng thành là 60-100 nhịp/phút. Tuy nhiên, nhịp tim nghỉ ngơi thấp hơn mức này không có nghĩa là chúng ta đang mắc bệnh tim mạch. Ngược lại, nó cho thấy tim đang hoạt động hiệu quả hơn mức thông thường và trên thực tế, các vận động viên chuyên nghiệp đều

<i>Hình 3: Nhịp tim của người trưởng thành qua từng độ tuổi</i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

có nhịp tim nghỉ ngơi quanh ngưỡng 40 nhịp/phút. Ngoài ra nhịp tim còn chịu tác động từ 4 yếu tố: Nhiệt độ khơng khí: nhiệt độ tăng cao thường sẽ khiến tim bơm máu mạnh hơn và nhịp tim của bạn tăng 5-10 nhịp/phút. Tư thế khi đo: yếu tố này chỉ ảnh hưởng đáng kể trong 15-20 giây đầu tiên. Vậy nên, hãy luôn đợi một vài phút trước khi tiến hành đo nhịp tim.

<b>Nồng độ oxy trong máu </b>

 Một phân tử Hemoglobin (Hb) có thể kết hợp với 4 phân tử oxy, khi đã gắn đủ 4 phân tử oxy được gọi là bão hòa oxy. Độ bão hòa oxy trong máu còn được gọi là chỉ số SpO2, biểu thị cho tỷ lệ Hemoglobin có oxy trên tổng lượng Hemoglobin trong máu. Nếu tất cả các phân tử Hemoglobin trong máu đều gắn với oxy thì độ bão hòa oxy là 100%. Chỉ số SpO2 được xem là một trong những dấu hiệu sinh tồn của cơ thể, bên cạnh các dấu hiệu như: nhiệt độ, mạch, nhịp thở và huyết áp. Khi bị thiếu oxy máu, các cơ quan như tim, gan, não sẽ chịu tác động tiêu cực rất nhanh. Vì vậy, cần theo dõi chỉ số SpO2 thường xuyên để kịp thời can thiệp nếu xảy ra tình trạng nguy hiểm.

 Một người khỏe mạnh bình thường khi thở ở không khí trên mực nước biển sẽ có độ bão hịa oxy động mạch là 95% - 100%. Nếu lượng oxy trong máu hòa tan ở khoảng 97% - 99%: oxy trong máu tốt. Nếu lượng oxy trong máu hòa tan ở khoảng 94% - 96%: oxy trong máu trung bình – cần cho thở thêm oxy. Nếu lượng oxy trong máu hòa tan ở khoảng 90% - 93%: oxy trong máu thấp – nên có y tá hoặc bác sĩ theo dõi hoặc đến bệnh viện gần nhất. Nếu SpO2 dưới 92% khơng thở oxy hoặc dưới 95% có thở oxy: đây là các dấu hiệu suy hô hấp rất nặng. Độ bão hòa oxy thấp hơn 90% là một cấp cứu trên lâm sàng. Chỉ số SpO2 ở trẻ sơ sinh cũng giống như người lớn: trên 94%. Nếu chỉ số SpO2 của trẻ giảm xuống dưới mức 90% thì cần thơng báo cho y bác sĩ để được hỗ trợ can thiệp kịp thời.

<b>Đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu </b>

Đo nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ quang học Ánh sáng 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 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 nhịp tim.

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

<i>Hình 4: Đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu </i>

Vị trí đặt cảm biến hợp lý nhất là các đầu ngón tay, 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.

<b>2.2 Tìm hiểu chung về I2C Khái niệm </b>

I2C ( Inter – Integrated Circuit) là 1 giao thức giao tiếp nối tiếp đồng bộ được phát triển bởi Philips Semiconductors, sử dụng để truyền nhận dữ liệu giữa các IC với nhau chỉ sử dụng hai đường truyền tín hiệu.

Các bit dữ liệu sẽ được truyền từng bit một theo các khoảng thời gian đều đặn được thiết lập bởi 1 tín hiệu đồng hồ.

Bus I2C thường được sử dụng để giao tiếp ngoại vi cho rất nhiều loại IC khác nhau như các loại vi điều khiển, cảm biến, EEPROM, … .

I2C sử dụng 2 đường truyền tín hiệu:

SCL - Serial Clock Line : Tạo xung nhịp đồng hồ do Master phát đi SDA - Serial Data Line : Đường truyền nhận dữ liệu.

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

Giao tiếp I2C bao gồm quá trình truyền nhận dữ liệu giữa các thiết bị chủ tớ, hay Master - Slave.

Thiết bị Master là 1 vi điều khiển, nó có nhiệm vụ điều khiển đường tín hiệu SCL và gửi nhận dữ liệu hay lệnh thông qua đường SDA đến các thiết bị khác.

Các thiết bị nhận các dữ liệu lệnh và tín hiệu từ thiết bị Master được gọi là các thiết bị Slave. Các thiết bị Slave thường là các IC, hoặc thậm chí là vi điều khiển. Master và Slave được kết nối với nhau như hình trên. Hai đường bus SCL và SDA đều hoạt động ở chế độ Open Drain, nghĩa là bất cứ thiết bị nào kết nối với mạng I2C này cũng chỉ có thể kéo 2 đường bus này xuống mức thấp (LOW), nhưng lại không thể kéo được lên mức cao. Vì để tránh trường hợp bus vừa bị 1 thiết bị kéo lên mức cao vừa bị 1 thiết bị khác kéo xuống mức thấp gây hiện tượng ngắn mạch. Do đó cần có 1 điện trờ ( từ 1 – 4,7 kΩ) để giữ mặc định ở mức cao.

<b> Khung truyền I2C </b>

Khối bit địa chỉ :

Thông thường quá trình truyền nhận sẽ diễn ra với rất nhiều thiết bị, IC với nhau. Do đó để phân biệt các thiết bị này, chúng sẽ được gắn 1 địa chỉ vật lý 7 bit cố định.

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

Bit Read/Write:

Bit này dùng để xác định quá trình là truyền hay nhận dữ liệu từ thiết bị Master. Nếu Master gửi dữ liệu đi thì ứng với bit này bằng ‘0’, và ngược lại, nhận dữ liệu khi bit này bằng ‘1’.

Bit ACK/NACK:

Viết tắt của Acknowledged / Not Acknowledged. Dùng để so sánh bit địa chỉ vật lý của thiết bị so với địa chỉ được gửi tới. Nếu trùng thì Slave sẽ được đặt bằng ‘0’ và ngược lại, nếu khơng thì mặc định bằng ‘1’.

Khối bit dữ liệu:

Gồm 8 bit và được thiết lập bởi thiết bị gửi truyền đến thiết bị nhân. Sau khi các bit này được gửi đi, lập tức 1 bit ACK/NACK được gửi ngay theo sau để xác nhận rằng thiết bị nhận đã nhận được dữ liệu thành công hay chưa. Nếu nhận thành cơng thì bit ACK/NACK được set bằng ‘0’ và ngược lại.

<b> Quá trình truyền nhận dữ liệu: </b>

Bắt đầu: Thiết bị Master sẽ gửi đi 1 xung Start bằng cách kéo lần lượt các đường SDA, SCL từ mức 1 xuống 0.

</div>