Cảm biến đo nhịp tim, tốc độ dùng atmega16

BÁO CÁO ĐỒ ÁN CẢM BIẾN
LỜI GIỚI THIỆU
Ngày nay, cuộc sống của mọi người ngày càng được nâng cao. Mật độ dân số Việt Nam 259
người/km
2
năm 2009. Nhu cầu chăm sóc sức khỏe là cần thiết. Bận rộn việc cơ quan, việc nhà
và vô số lý do khác khiến nhiều người chọn giải pháp mua máy tập thể dục tại nhà thay cho việc
phải đến các trung tâm thể dục 3-4 buổi mỗi tuần. Đáp ứng nhu cầu này, các nhà sản xuất, phân
phối không ngừng tung ra thị trường những máy tập thông dụng và hiện đại, đủ các chức năng.
Với máy tập này bạn có thể kiểm soát tốc độ của mình thông qua đồng hồ chỉ thời gian, vận tốc,
quãng đường, và đặc biệt là nhịp tim, huyết áp và có thể chuẩn đoán sức khỏe…
Những chức năng cơ bản của máy chạy bộ KL9920.
Đo vận tốc,
Quãng đường,
Thời gian.
Đo nhịp tim.
Nhóm em xin chân thành cảm ơn thầy giáo: Nhữ Quý Thơ đã tận tình giúp đỡ chúng em.Tuy đã
đạt được yêu cầu của đề tài nhưng nhóm vẫn còn một số hạn chế thiếu sót, nhóm xin chân thành
cảm ơn và ghi nhận những ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn.
Đề tài: Máy đi bộ có chức năng đo nhịp tim, vận tốc ghép nối với máy tính.
Giáo viên hướng dẫn: Nhữ Quý Thơ.
Sinh viên thực hiên:
1. Bùi Đức Tuấn Hưng.
BÁO CÁO ĐỒ ÁN CẢM BIẾN
2. Lê Quang khánh.
3. Phạm Văn Biên.
4. Bùi Lê Duy Nguyên.
5. Vũ Văn Tuệ.
6. Nguyễn Chí Nam.
7. Nguyễn Văn Tiến.
8. Nguyễn Văn Điệp.

9. Nguyễn Xuân Luân.
10. Hồ Thắng.
Hà nội, tháng 5 năm 2010
BÁO CÁO ĐỒ ÁN CẢM BIẾN
MỤC LỤC.
LỜI GIỚI THIỆU
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỒ ÁN
1. Yêu cầu của đề tài.
2. Cảm biến đo vận tốc.
3. Cảm biến đo nhịp tim.
4. Tổng quan về ATMEGA 16.
5. Tổng quan về cổng nối tiếp.
CHƯƠNG 2: NỘI DUNG ĐỒ ÁN.
1. Phần cứng.
2. Phần mềm.
3. Sơ đồ mạch.
4. Nguyên lý hoạt động.
5. Thực nghiệm.
CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN.
1. Đánh giá chung.
2. Các kết quả đạt được.
3. Hạn chế thiếu sót.
4. Ứng dụng và hướng phát triển đồ án.
TÀI LIỆU THAM KHẢO.
BÁO CÁO ĐỒ ÁN CẢM BIẾN
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỒ ÁN.
1. Yêu cầu đề tài.
Máy đi bộ chức năng đo vận tốc, nhịp tim ghép nối với máy tính.
Yêu cầu:
Thiết kế giao diện trên máy tính, trên giao diện hiển thị vận tốc, nhịp tim, thay đổi chế độ quãng

đường thời gian.
…
2. Cảm biến đo vận tốc:
Mô tả hoạt động.
Công tắc từ gồm hai lưỡi gà (lá thép mỏng) được dặt gần sát nhau bên trong một ống thủy tinh.
Có 2 loại trên thị trường là loại đường kính 3mm và loại 6mm. Nguyên lý của nó là khi đặt gần
một nam châm vĩnh cữu thì hai thanh kim loại đó sẽ được từ hóa trái chiều nhau và sẽ hút nhau
thành dây dẫn. Do môi trường bên trong ống là chân không nên không xãy ra tia lửa khi đóng cắt
dòng điện
Độ nhạy công tắc từ được đo bằng đơn vị Ampe.lượt. Độ nhạy đặc trưng cho các thiết bị thương
mại trong khoảng 10-60 ampe.lượt. Ampe.lượt càng nhỏ thì công tắc từ càng nhạy. Ngoài ra,
công tắc từ nhỏ trong đó có các bộ phận nhỏ thì nhạy cảm với từ trường nhiều hơn làm cho công
tắc từ nhạy hơn
Ứng dụng:
Ngoài việc sử dụng trong rơle từ công tắc từ là được sử dụng rộng rãi để điều khiển mạch điện,
đặc biệt trong lĩnh vực truyền thông, công tắc từ hoạt động bởi nam châm vĩnh cửu trong các hệ
thống cơ khí như cảm biến báo động trộm ở cửa tuy nhiên có thể bị vô hiệu hóa bởi từ trường
mạnh bên ngoài. Cảm biến tốc độ trên xe đạp bánh xe sử dụng một công tắc từ để đóng một thời
gian ngắn mỗi lần nam châm trên bánh xe qua cảm biến.
3. Cảm biến đo nhịp tim.
a. Điện sinh lý học cơ tim.
Hai yếu tố quan trọng tham gia vào quá trình hình thành dòng điện tạo ra trong khi tim co
bóp là sự chênh lệch nồng độ ion Na, K, Ca, Mg trong và ngoài tế bào và tính thấm có chọn lọc
của màng tế bào cơ tim. Quá trình này diễn ra qua các giai đoạn sau:
BÁO CÁO ĐỒ ÁN CẢM BIẾN
Lúc tế bào nghỉ ngơi.
- Màng tế bào cơ tim chỉ có tính thấm chọn lọc với ion K. Bình thường K ở trong tế bào
lớn hơn ngoài tế bào 30 lần (khoảng 150mmol/l). Nếu ta đặt hai điện cực ở mặt trong và ở mặt
ngoài tế bào cơ tim ta sẽ thu được 1 hiệu điện tế qua màng lúc nghỉ là -90mV. Lúc này, mặt
ngoài tế bào dương tính tương đối hơn mặt trong.

Hình 1: Các kênh Na
+
, Ca
2+
, K
+
thẩm thấu qua màng tế bào
Khi tế bào hoạt động: tức lúc bị kích thích do xung động từ nút xoang đến.
- Trong thời điểm này, màng tế bào cơ tim trở nên thẩm thấu chọn lọc với Na. Bình
thường nồng độ Na ở ngoài tế bào lớn gấp 10 lần bên trong (khoảng 142mmol/l), nên phần lớn
Na ồ ạt, nhanh chóng vào trong tế bào, làm cho điện thế qua màng tăng vọt lên +20mV và được
gọi là điện thế hoạt động. Do Na vào trong tế bào, làm thay đổi nồng độ ion nên mặt ngoài trở
nên âm tính hơn mặt trong.
- Hiện tượng mất cực dương bên ngoài còn gọi là hiện tượng khử cực, tương ứng với giai
đoạn 0 trên sơ đồ đường cong điện thế sinh lý tế bào cơ tim. Tiếp theo giai đoạn khử cực là giai
đoạn tái cực, bao gồm tái cực chậm (giai đoạn 1, 2) và tái cực nhanh (giai đoạn 3). Trong giai
đoạn này, Na vào chậm dần và ngừng hẳn, K bắt đầu ra ngoài sau đó đạt tối đa cho đến thăng
bằng điện thế qua màng. Do K ra ngoài nhiều, mặt ngoài tế bào trở nên dương tính hơn mặt
trong.
Khử cực chậm tâm trương (giai đoạn 4)
BÁO CÁO ĐỒ ÁN CẢM BIẾN
- Khi tế bào bước vào trạng thái nghỉ ngơi, nhờ một bơm tự động vận chuyển K vào trong
tế bào (sau khi ra ngoài) và Na trở ra ngoài (sau khi đi vào trong tế bào). Quá trình này xảy ra
tương đối hằng định và kéo dài đạt đến điện thế ngưỡng -60mV, sẽ bước vào giai đoạn khử cực
mới và tạo nên điện thế hoạt động mới. Quá trình này là 1 đặc trưng cơ bản của tim, còn gọi là
tính tự động tim. Trên hệ thống thần kinh tim, tính tự động ở nút xoang, nút nhĩ thất cao hơn ở
cơ nhĩ và thất.
Sau khi hình thành, dòng điện tim được lan truyền từ tế bào cơ tim này đến tế bào cơ tim
khác và ra cơ, bề mặt cơ thể. Nếu ta đặt 2 điện cực khác nhau ở trên bề mặt cơ thể và nối với bộ
phận khuếch đại tím hiệu của máy điện tum sẽ ghi các sóng điện tâm đồ, còn gọi là chuyển đạo

tim.
Hình 2: Điện thế hoạt động và các kênh Na
+
, Ca
2+
, K
+
b. Điện tim.
Những tế bào cấu tạo nên cơ tâm thất được ghép đôi với nhau ở chỗ giao của các kẽ
hở.Với trái tim khỏe mạnh bình thường, có một điện trở rất nhỏ. Như vậy, sự hoạt động trong
một tế bào luôn sẵn sàng lan truyền sang những tế bào bên cạnh. Điều đó nói lên rằng trái tim cư
xử như một hợp bào. Một sóng lan truyền được khởi đầu tiếp tục lan truyền đều tới những vùng
trong trạng thái nghỉ.
Những mẫu nghiên cứu sớm nhất trong chủ đề này đã được thực hiện bởi Scher and
Young (1957). Gần đây, có nhiều nghiên cứu thực hiện trên tim người và một bài báo mô tả về
những kết quả thu được đã được công bố bởi Durrer et al (1970) . Những nghiên cứu này đưa ra
BÁO CÁO ĐỒ ÁN CẢM BIẾN
rằng mặt sóng hoạt động là tương đối giống nhau, từ màng trong tim tới lá tạng ngoài tâm mạc
và từ đỉnh tới đáy.
Một cách để mô tả hoạt động của tim là ta vẽ liên tục những mặt sóng khử cực tức thời.
Do những bề mặt này nối mọi điểm trong pha thời gian giống nhau. Bề mặt của mặt sóng cũng
được xem như là đẳng thời gian (cùng nhau về mặt thời gian). Quá trình này gồm được thực hiện
bằng cách lấy gradient khoảng không gian Vm. Nếu chúng ta cho rằng trên một mặt của tế bào là
ở trạng thái nghỉ hoàn toàn , trong khi ở mặt còn lại là ở trạng thái cân bằng hoàn toàn, thì nguồn
sẽ bằng không ở mọi nơi trừ ở mặt sóng. Bởi vậy, mặt sóng hay đường đẳng thời gian không chỉ
mô tả bề mặt hoạt động mà còn cho biết vị trí của những nguồn của lớp kép.
Ngay sau khi mặt khử cực được truyền đi qua vách của tâm thất phải thì đầu tiên nó tới bề
mặt thượng tâm vị của vách thông trên tâm thất phải và chúng ta gọi đây là sự đánh thủng. Do
thành của tâm thất trái dày hơn tâm thất phải, hoạt động của thành dẫn thông của tâm thất trái sẽ
tiếp tục diễn ra thậm chí sau khi quá trình khử cực diễn ra tại một vùng rộng của tâm thất phải.

Vì không có các lực điện tích bù nào ở bên phải nên vector tổng đạt tới giá trị cực đại trong pha
này và nó hướng về phía bên trái. Mặt sóng khử cực tiếp tục lan truyền dọc theo thành tâm thất
trái xuống phía dưới. Do diện tích bề mặt của nó giảm liên tục nên biên độ của vector tổng cũng
giảm cho tới khi tất cả các cơ tâm thất đều bị khử cực. Sau cùng của quá trình khử cực là các
vùng cơ bản của cả tâm thất phải và tâm thất trái.Và do không có hoạt động nào nên trong giai
đoạn này cũng không có tín hiệu gì.
Quá trình tái cực của tâm thất bắt đầu từ bên ngoài các tâm thất và mặt sóng tái cực lan truyền
hướng vào bên trong. Điều này có vẻ như là nghịch lý, nhưng thậm chí cả thượng tâm vị bị khử
cực sau cùng, hoạt động điện của nó diễn ra tương đối ngắn và nó bắt đầu quá trình tái cực đầu
tiên. Mặc dù quá trình khôi phục của một tế bào này không lan truyền được tới các tế bào bên
cạnh nhưng người ta vẫn nhận ra rằng việc khôi phục thường di chuyển từ thượng tâm vị tới
màng trong tim. Sự lan rộng của mặt sóng tái cực ở bên trong tạo ra tín hiệu cùng dấu với mặt
sóng khử cực bên ngoài, như được vẽ ở hình 15.2 (cần nói lại là hướng của mặt sóng tái cực và
chiều của các nguồn lưỡng cực là ngược nhau). Và do sự khuếch tán của quá trình tái cực nên
biên độ của tín hiệu nhỏ hơn nhiều so với biên độ của dạng sóng khử cực và thời gian tồn tại của
nó lâu hơn.
c. Cách đo và lấy tín hiệu.
BÁO CÁO ĐỒ ÁN CẢM BIẾN
Tim phát ra hoạt động điện trong suốt quá trình khử cực và hồi cực. Trong đó, cơ thể lại
là một môi trường dẫn truyền điện được, chính vì vậy, dòng điện phát ra từ tim lan truyền khắp
cơ thể và tạo nên điện trường của tim.
* Các tính chất của điện trường tim.
- Từ vị trí trung tâm là tim, điện trường lan tỏa đồng đều ra xung quanh.
- Càng gần tim thì điện trường càng mạnh, càng xa tim thì càng yếu.
- Hoạt động tim bình thường thì cho ra điện trường bình thường và ngược lại hoạt động
điện vùng nào của tim bất thường thì sẽ cho ra điện trường bất thường ở vùng đó.
* Các chuyển đạo.
BÁO CÁO ĐỒ ÁN CẢM BIẾN
Mục đích chính của các chuyển đạo tim là làm sao để có thể thu nhận được điện trường
của tim ở mọi góc độ.

Bằng cách dùng các chuyển đạo lưỡng cực để phát hiện sự chênh lệch điện thế giữa 2
điểm trong điện trường hoặc dùng chuyển đạo đơn cực để thăm dò điện thế ở từng điểm trong
điện trường mà các chuyển đạo có thể ghi lại hoạt động điện tim ở từng bình diện khác nhau.
BÁO CÁO ĐỒ ÁN CẢM BIẾN
Hình : Các đạo trình chi của Einthoven và tam giác Einthoven. Tam giác Einthoven là 1 sự mô tả
gần đúng các vector đạo trình được kết hợp với các đạo trình chi. Đạo trình I được thể hiện là CI
như trên hình v.v…
Các điện cực được mắc để lấy điện thế tuân thủ theo các đạo trình. Ở đây, chúng ta lấy
điện thế ở 2 lòng bàn tay. Do điện thế thu được rất nhỏ nên chúng phải được qua một bộ khuếch
đại tín hiệu, sau đó, tín hiệu đó mới được đưa vào xử lý và đưa ra thành các thông số.
d. Mạch khuếch đại thuật toán.
Mạch khuếch đại thuật toán (operational amplifier), thường được gọi tắt là op-amp là
một mạch khuếch đại một chiều nối tầng trực tiếp với hệ số khuếch đại rất cao, có đầu vào vi sai,
và thông thường có đầu ra đơn. Trong những ứng dụng thông thường, đầu ra được điều khiển
bằng một mạch hồi tiếp âm sao cho có thể xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu vào và tổng trở
đầu ra.
Ký hiệu trên mạch điện của một mạch khuếch đại thuật toán như sau:
BÁO CÁO ĐỒ ÁN CẢM BIẾN
Trong đó:
• V
+
: Đầu vào không đảo
• V
−
: Đầu vào đảo
• V
out
: Đầu ra
• V
S+

: Nguồn cung cấp điện dương
• V
S−
: Nguồn cung cấp điện âm
Các chân cấp nguồn (V
S+
and V
S−
) có thể được ký hiệu bằng nhiều cách khác nhau. Cho
dù vậy, chúng luôn có chức năng như cũ. Thông thường những chân này thường được vẽ dồn về
góc trái của sơ đồ cùng với hệ thống cấp nguồn cho bản vẽ được rõ ràng. Một số sơ đồ người ta
có thể giản lược lại, và không vẽ phần cấp nguồn này. Vị trí của đầu vào đảo và đầu vào không
đảo có thể hoán chuyển cho nhau khi cần thiết. Nhưng chân cấp nguồn thường không được đảo
ngược lại.
 Mạch khuếch đại không đảo.
Một mạch khuếch đại thuật toán thông dụng có 2 đầu vào và 1 đầu ra. Điện áp đầu ra
bằng bội số của sai biệt điện áp hai đầu vào:
V
out
= G(V
+
− V
−
)
G là độ lợi vòng hở của mạch khuếch đại thuật toán. Đầu vào được giả định có tổng trở
rất cao; Dòng điện đi vào hoặc ra ở đầu vào sẽ không đáng kể. Đầu ra được giả định có tổng trở
rất thấp.
BÁO CÁO ĐỒ ÁN CẢM BIẾN
Kết cấu của một mạch khuếch đại thuật toán ráp thành mạch khuếch đại không đảo cơ bản.
Nếu đầu ra được đưa trở về đầu vào đảo sau khi được chia bằng một bộ phân áp K = R

1
/
(R
1
+ R
2
), thì:
V
+
= V
in
V
−
= K V
out
V
out
= G(V
in
− K V
out
)
Để tính V
out
/ V
in
, chúng ta thấy là một một hệ số khuếch đại tuyến tính với độ lợi là:
V
out
/V

in
= G /(1 + G K)'
Nếu G rất lớn, V
out
/V
in
sẽ gần bằng 1/K, bằng 1 + (R
2
/R
1
).
 Mạch khuếch đại đảo
Với
BÁO CÁO ĐỒ ÁN CẢM BIẾN
e. Mạch lọc.
Ta xét mạch lọc thụ động RC, trong đó có mạch lọc thông cao High-pass và mạch lọc
thông thấp low-pass.
 Mạch lọc thông thấp (low-pass).
Hàm truyền đạt phức của mạch:
Hàm truyền được biểu diễn dưới dạng tần số:
BÁO CÁO ĐỒ ÁN CẢM BIẾN
Đồ thị của hàm truyền với bộ lọc low-pass
 Mạch lọc thông cao (high-pass filter)
Hàm truyền đạt phức của mạch:
BÁO CÁO ĐỒ ÁN CẢM BIẾN
Đồ thị của hàm truyền với bộ lọc high-pass
4. Tổng quan về ATMEGA 16
Hình 1: Hình dạng thực tế của và sơ đồ chân của ATMEGA16.
BÁO CÁO ĐỒ ÁN CẢM BIẾN
ATMEGA16 là một con chíp thuộc dòng chíp AVR. AVR là một họ vi điều khiển do hãng

Atmel sản xuất (Atmel cũng là nhà sản xuất dòng vi điều khiển 89C51). AVR là chip vi điều
khiển 8 bits với cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa-RISC(Reduced Instruction Set Computer), một
kiểu cấu trúc đang thể hiện ưu thế trong các bộ xử lí.
Tại sao lại chọn AVR: so với các chip vi điều khiển 8 bits khác, AVR có nhiều đặc tính hơn
hẳn, hơn cả trong tính ứng dụng (dễ sử dụng) và đặc biệt là về chức năng:
- Gần như chúng ta không cần mắc thêm bất kỳ linh kiện phụ nào khi sử dụng AVR, thậm chí
không cần nguồn tạo xung clock cho chip (thường là các khối thạch anh).
- Thiết bị lập trình (mạch nạp) cho AVR rất đơn giản. Một số AVR còn hỗ trợ lập trình on –
chip bằng bootloader không cần mạch nạp…
- Bên cạnh lập trình bằng ASM, cấu trúc AVR được thiết kế tương thích C.
- Nguồn tài nguyên về source code, tài liệu, application note…rất lớn trên internet.
ATMEGA16 có tất cả 40 chân, gồm có: 4 port I/O (PORTA, PORTB, PORTC, PORTD),1 bộ
USART (chân số 14: PORTD.0 <-> RXD, chân số 15: PORTD.1 <-> TXD)…
5. Tổng quan về cổng nối tiếp

Hình 3: Hình dạng thực tế của và sơ đồ chân của cổng COM.
BÁO CÁO ĐỒ ÁN CẢM BIẾN
RS-232 là một trong các chuẩn cho các cổng vào/ra tín hiệu của các thiết bị. Chuẩn này ra đời
năm 1962 (EIA).
Chuẩn RS232 được nối ra một giắc cắm (gọi là cổng COM). Khi sử dụng có thể sử dụng 2 hay
tòan bộ chân (pin) của cổng này (có nhiều loại cổng COM phục vụ các chức năng khác nhau
gồm loại 4, 9, 15, 37 chân). Nếu mục đích chỉ truyền hoặc nhận tín hiệu giữa hai thiết bị thì ta
chỉ cần sử dụng 2 dây (một dây truyền hoặc nhận) và một dây nối đất (GND – ground, hay
mass).
RS 232 sử dụng phương thức truyền thông không đối xứng, tức là sử dụng tín hiệu điện áp
chênh lệch giữa một dây dẫn và đất. Các cổng của RS 232 có ngưỡng điện áp qui ước là
-15V tới -3V (mức 1), và 3V tới 15V (mức 0), điện áp từ -3V tới +3V không có ý nghĩa. Chính
vì từ -3V tới 3V là phạm vi không được định nghĩa, trong trường hợp thay đổi giá trị logic
từ thấp lên cao hoặc từ cao xuống thấp, một tín hiệu phải vượt qua quãng quá độ trong một thời
gian ngắn hợp lý. Điều này dẫn đến việc phải hạn chế về điện dung của các thiết bị tham gia và

của cả đường truyền. Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài của dây dẫn. Đa số các
hệ thống hiện nay chỉ hỗ trợ với tốc độ 19,2 kBd (chiều dài cho phép 30 – 50 m).
CHƯƠNG 2: NỘI DUNG ĐỒ ÁN
2. PHẦN MỀM
* CodeVision AVR
Ứng dụng: Lập trình ATMEGA16
BÁO CÁO ĐỒ ÁN CẢM BIẾN
Hình : Giao diện chương trình CodeVision AVR.
* Microsoft Visual Basic 6
SƠ ĐỒ MẠCH.
Xử lý tín hiệu.
Do tín hiệu điện trường tim đo được trên cơ thể rất nhỏ, chính vì vậy, việc xử lý tín hiệu lấy ra là
một công việc cấp thiết.
Sơ đồ khối mạch xử lý tín hiệu
Tín hiệu đo
được
Khuếch đại Lọc high-
pass
Khuếch đạiLọc low-
pass
output
BÁO CÁO ĐỒ ÁN CẢM BIẾN
Sơ đồ đấu nối:
Ban đầu, tín hiệu điện tim có đạng sóng, sau khi qua các bộ khuếch đại, lọc… tín hiệu
này có dạng xung. Tín hiệu này (output) sẽ được đưa vào vi điều khiển xử lý, qua các phép tính
toán, chúng ta đưa ra được nhịp tim.