Đồ án đo nồng độ oxy bão hòa trong máu

Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt
nghiệp
LỜI NÓI ĐẦU
Chăm sóc sức khỏe là một trong những khía cạnh quan trọng nhất của
cuộc sống. Cuộc sống ngày càng hiện đại thì việc chăm sóc sức khỏe ngày càng
được quan tâm. Trong thực trạng thiếu hụt bác sĩ như hiện nay thì việc thiết kế
một hệ thống giám sát y tế từ xa là một giải pháp có thể làm giảm cả thời gian
chờ đợi của bệnh nhân và công việc của bác sĩ. Đề tài “Thiết kế hệ thống đo
nồng độ bão hòa oxy trong máu sử dụng trong chẩn đoán lâm sàng ” là một
giải pháp của chúng em nhằm thực hiện ý tưởng trên.
Oxy là một nguyên tố rất cần cho sự sống, có thể nói nếu thiếu oxy thì
mọi sinh vật không thể tồn tại được trên trái đất này. Đối với cơ thể người oxy
cần cho quá trình hô hấp, cần cho các quá trình oxy hóa xảy ra bên trong cơ thể.
Một chức năng quan trọng của máu đối với cơ thể là chức năng vận chuyển: sau
quá trình tiêu hóa, các chất dinh dưỡng ở nhung mao ruột được vận chuyển vào
máu , khí O
2
từ phổi đến các mô và khí CO
2
từ các mô đến phổi cũng được vận
chuyển qua đường máu. Nếu xảy ra tình trạng thiếu oxy sẽ gây nguy cơ tử vong
cao. Nghiên cứu trong một tạp chí ước tính tỷ lệ tử vong bệnh nhân Hoa Kỳ do
hậu quả của thiếu oxy trong máu không được phát hiện ở mức 2.000 đến 10.000
ca tử vong mỗi năm. Nồng độ oxy trong máu là một thông tin quan trọng. Ở
những người bình thường nồng độ oxy trong máu từ 95 đến 99%.
Thiết kế của chúng em là một hệ thống thiết bị đo đạc nồng độ bão hòa
oxy trong máu, hy vọng sẽ giúp các bác sĩ phát hiện ra những bất thường hoặc
chẩn đoán một cách nhanh nhất giúp các bệnh nhân điều trị theo phương pháp
hiệu quả nhất.
GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh 1
Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt

nghiệp
LỜI CẢM ƠN
GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh
Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt
nghiệp
Mục lục
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1. Cơ sở
1.1. Sự cần thiết của oxi trong máu
Oxi là một nguyên tố rất cần cho sự sống, có thể nói nếu thiếu oxi thì
mọi sinh vật không thể tồn tại được trên trái đất này. Đối với cơ thể người oxi
cần cho quá trình hô hấp, cần cho các quá trình oxi hóa xảy ra bên trong cơ thể.
Một chức năng quan trọng của máu đối với cơ thể là chức năng vận
chuyển: sau quá trình tiêu hóa, các chất dinh dưỡng ở nhung mao ruột được vận
GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh
Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt
nghiệp
chuyển vào máu , khí O
2
từ phổi đến các mô và khí CO
2
từ các mô đến phổi
cũng được vận chuyển qua đường máu.
1.2. Sự vận chuyển khí O2 của máu
Khí O
2
được vận chuyển theo máu thông qua hai dạng hòa tan và kết hợp
với haemoglobin ( haemoglobin là một Protein được kết lại trong hồng cầu ).
Dạng hòa tan : Khả năng hòa tan của oxi trong máu rất nhỏ so với lượng
oxi vận chuyển ở dạng kết hợp cung cấp cho mô.

Dạng kết hợp : oxi được vận chuyển trong máu ở dạng kết hợp là kết quả
của một loạt phản ứng thuận nghịch xảy ra giữa oxi và haemoglobin (Hb) để tạo
thành oxyhaemoglobin (HbO
2
). Sự kết hợp giữa O
2
và Hb tỉ lệ thuận với phân áp
của O
2
trong máu. Khi phân áp oxi tăng dần từ 0 – 100mmHg, tỷ lệ % hòa tan
HbO
2
cũng tăng dần tới 97%. Ngược lại, khi phân áp oxi giảm từ 100 – 0 mmHg
thì tỷ lệ % bão hòa của HbO
2
cũng giảm dần theo thứ tự đó.
Từ những khái niệm này người ta có thể đưa ra vài phương pháp đo nồng
độ bão hòa của oxi trong máu.
1.3. Một số khái niệm
1.3.1. Nồng độ bão hòa của oxi trong máu
Do khí O
2
vận chuyển dưới dạng hòa tan rất nhỏ so với dạng kết hợp nên
nồng độ bão hòa của Oxi trong máu chủ yếu được xác định bởi tỷ lệ % hòa tan
của HbO
2
.
1.3.2. Tại sao cần phải xác định nồng độ bão hòa của oxi trong máu.
Khi cơ thể hoạt động sẽ tiêu tốn năng lượng và cơ thể sẽ đòi hỏi thường
xuyên được cung cấp năng lượng qua sự oxi hóa các chất dinh dưỡng, quá trình

này xảy ra chủ yếu ở mô tế bào. Nếu trong máu thiếu oxi thì các phản ứng oxi
GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh
Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt
nghiệp
hóa sẽ chậm đi và không đủ đáp ứng nhu cầu năng lượng cho cư thể, ngoài ra
thiếu oxi sẽ ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất của cơ thể, cơ thể sẽ khó đào
thải các chất độc ra ngoài…
Do đó đối với người bệnh và ngay cả đối với người bình thường thì việc
xác định nhanh chóng và chính xác thông số nồng độ bão hòa của oxi trong máu
là hết sức cần thiết.
1.4. Các phương pháp đo nồng độ oxi trong máu
Nói chung có nhiều phương pháp đo nồng độ oxi trong máu, các phương
pháp phổ biến được nêu ra dưới đây:
- Phương pháp dùng điện cực oxy
- Phương pháp cộng hưởng điện tử từ tính
- Phương pháp chụp tia pozitron
- Phương pháp Pulse Oximetry
Phương pháp “ Pulse Oximetry ” là phương pháp đo dựa vào xung nhịp tim,
phương pháp này có các ưu điểm sau:
• Biết kết quả ngay
• Chỉ cần một thao tác đo
• Cách thức đo rất đơn giản và không hề xâm phạm vào cơ thể
• Độ tin cậy cao
Do đó nội dung của đồ án này sẽ đề cập đến phương pháp đo này.
2. Mục tiêu và phạm vi đồ án.
Ngày nay hầu hết các bệnh viện hay phòng khám thường có rất nhiều
bệnh nhân, do đó thường xảy ra trường hợp thiếu các bác sĩ, bệnh nhân phải chờ
GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh
Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt
nghiệp

đợi rất lâu mới được chữa trị. Chúng em hy vọng có thể thiết kế được một “ hệ
thống đo nồng độ bão hòa oxy trong máu sử dụng trong chẩn đoán lâm sàng ”
để có thể giảm được thời gian chờ đợi của bệnh nhân và giảm tải công việc của
các bác sĩ. Mục tiêu của chúng em là kết hợp giữa thiết bị đo và tín hiệu sinh lý
qua xử lý sẽ đưa ra kết quả nhanh chóng , hiển thị trên màn hình LCD. Kết quả
đưa ra là chính xác giúp các bác sĩ dễ dàng chẩn đoán bệnh. Điều đặc biệt là
thay vì phải cố định bệnh nhân trên giường bệnh hay không cho cử động ,tự do
đi lại thì phương pháp đo này lại làm cho bệnh nhân thấy dễ chịu, thoải mái,
không bị gò bó bởi thiết bị đo này kẹp trực tiếp vào ngón tay của người bệnh.
Phương pháp“ Pulse Oximetry ” sử dụng ánh sáng để đo nồng độ oxy bão hòa
trong máu.
3. Phương pháp luận
Đồ án chia làm 4 chương:
Chương 1: tổng quan
Chương 2: giải pháp thực hiện
Chương 3: thiết kế hệ thống
Chương 4: kết luận và hướng phát triển
GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh
Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt
nghiệp
Qua chương giới thiệu chúng ta có thể biết thêm về một số kiến thức y
học, biết được mục tiêu của đồ án này là gì và đưa ra giải pháp thực hiện. Ở đồ
án này chúng em tập trung đi sâu vào thiết kế hệ thống (thiết kế phần cứng),
thiết kế từng phần cho hệ thống và ghép lại thành một hệ thống hoàn chỉnh.
Phương pháp được sử dụng đòi hỏi phải nghiên cứu sâu và chính xác mới thu
được kết quả như mong muốn, cần phải nắm được sinh lý của người bệnh, ai có
thể sử dụng được phương pháp đo này. Việc thực hiện đo nồng độ oxy bao gồm
cả phần cứng và phần mềm. Phần cứng bao gồm các mạch điện tử để có được
các tín hiệu cần thiết, phần mềm lấy các thông tin cần thiết từ tín hiệu trên sau
đó sẽ được sử dụng để tính toán độ bão hòa oxy trong máu (cho cả phần cứng và

phần mềm ). Đối với đồ án này chỉ thực hiện phần cứng để có được tín hiệu sinh
lý sau đó được xử lý cho hiển thị ra LCD.
4. Tổng quan về Pulse Oximeters
Pulse Oximeters (SpO
2
) là một thiết bị đo nồng độ bão hòa oxy trong máu.
Chỉ cần kẹp đầu đo vào ngón tay hoặc chân hoặc dái tai là có thể xác định được
độ bão hòa oxy trong máu và nhịp tim (mạch). Đây là thiết bị thường được sử
dụng trong khoa hồi sức.
GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh
Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt
nghiệp
Hình 1.1: Thiết bị kiểm tra máy phân tích SpO
2
Khi kẹp cảm biến SpO
2
vào ngón tay của máy test thì máy SpO
2
chỉ báo đúng
thông số SpO
2
& nhịp tim đang được cài đặt trên màn LCD của máy test .
5. Nguyên tắc
Thiết bị được thiết kế để đo sự bão hòa oxy (SpO
2
) trong mạch máu và
nhịp tim, dựa trên nguyên tắc đo phần trăm của haemoglobin bị oxy hóa chức
GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh
Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt
nghiệp

năng đến hemoglobin toàn phần. Việc đo sự bão hòa oxy trong máu thu được
bởi ánh sáng đỏ và hồng ngoại trực tiếp thông qua thành mạch máu đang đập.
Những mạch máu đang đập là một phần của tia sáng gây ra sự thay đổi trong
toàn bộ của ánh sáng được dò tìm bởi một cực ánh sáng. Thiết bị xác định sự
bão hòa oxy của máu động mạch bằng cách đo tỉ lệ màu đỏ truyền qua ánh sáng
hồng ngoại giữa dạng sóng nhịp tim.
CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP THỰC HIỆN
1. Đặt vấn đề.
Đối với các bệnh nhân có nguy cơ suy hô hấp, điều quan trọng là theo dõi
độ bão hòa oxy trong máu của cá nhân đó để đảm bảo máu luôn được vận
chuyển lưu thông liên tục trong toàn bộ các hệ thống. Để đảm bảo tốt nhất cho
GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh
Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt
nghiệp
bệnh nhân thì thông tin này phải được cập nhật liên tục, nhanh chóng và kịp
thời.
2. Cơ sở lý thuyết.
2.1. Nguyên lý Oximetry về sự hấp thụ ánh sáng của máu.
Vào năm 1860 người ta phát hiện ra rằng haemoglobin là chất mang màu
sắc nó có trong hồng cầu và ảnh hưởng đến màu sắc của máu, sự hấp thụ ánh
sáng nhìn thấy bởi haemoglobin sẽ thay đổi với hàm lượng oxi trong nó.
Hình 2.1: Quang phổ hấp thụ của HbO
2
và Hb
Bởi vì hai dạng chủ yếu của haemoglobin có trong máu mà ảnh hưởng
nhiều nhất đối với ánh sáng là Oxyhaemoglobin (HbO2) và
Reducedoxyhaemoglobin (Hb), HbO2 và Hb có quang phổ hấp thụ khác nhau
với các bước sóng ánh sáng khác nhau.
GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh
Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt

nghiệp
Về phương diện hoá học O
2
kết hợp với Haemoglobin bên trong hồng cầu
tạo nên gần như tất cả oxi trong máu ( chỉ có một phần rất nhỏ nằm trong các
thành phần khác của máu ).
Mức độ bão hòa của oxi trong máu thường được quy về SaO
2
hoặc SpO
2
và
được định nghĩa là tỷ số của oxyhaemoglobin và tổng số haemoglobin trong
máu (oxyhaemoglobin + Reducedoxyhaemoglobin ) :
(1)
Nồng độ bão hòa của oxi của máu trong động mạch là một thông số được
đo với Oximetry và thường được biểu diễn dưới dạng tỷ lệ phần trăm (%). Dưới
điều kiện sinh học bình thường máu trong động mạch có độ bão hòa khoảng
97%, trong khi đó máu trong tĩnh mạch chỉ có độ bão hòa khoảng 75%. Nhìn
hình 2.1 ta có thể thấy rằng với hai bước sóng: Một là tia đỏ bước sóng λ
khoảng 660 nm, hai là tia hồng ngoại bước sóng λkhoảng 940 nm thì hệ số
hấp thụ của Hb và HbO
2
đối với hai bước sóng này sẽ khác nhau nhiều nhất. Hb
hấp thụ nhiều tia đỏ và hấp thụ ít tia hồng ngoại, ngược lại HbO
2
hấp thụ ít tia
đỏ và hấp thụ nhiều tia hồng ngoại. Do đó hệ số hấp thụ của máu đối với hai
bước sóng cũng sẽ sai khác nhau nhiều nhất và mức độ sai khác phụ thuộc vào
nồng độ bão hoà của oxi trong máu. Như vậy khi chiếu hai tia đỏ và hồng ngoại
qua vùng cơ thể có chứa động mạch, dựa vào cường độ của các tia nhận lại có

thể xác định được nồng độ bão hoà của oxy trong máu (SaO
2
).
Về mặt vật lý mô hình quá trình truyền sáng này như sau:
Iin Động Mạch I
GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh
Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt
nghiệp
L
Hình 2.2: Mô hình vật lý của quá trình truyền sáng qua động mạch
Có thể cho rằng ánh sáng truyền qua động mạch chỉ chịu sự ảnh hưởng
của nồng độ HbO
2
và Hb trong máu. Theo định luật Beer – Lambert : Cường độ
ánh sáng truyền qua sẽ giảm tỷ lệ theo hàm mũ với bề dày L của động mạch.
Trên hình 2.2 : Động mạch có bề dày L
Tia tới có cường độ Iin
Sau khi truyền qua còn I
Với bước sóng λ1 : I
1
= Iin
1
*10 – ( αo
1
+ αr
1
)
Với bước sóng λ2 : I
2
= Iin

2
*10 – ( αo
2
+ αr
2
)
Trong đó :
Co là độ tập trung của Oxyhaemoglobin ( HbO
2
)
Cr là độ tập trung của Reducedhaemoglobin ( Hb )
αon là hệ số hấp thụ của HbO
2
với bước sóngλn
αrn là hệ số hấp thụ của Hb với bước sóngλn
Nếu định nghĩa:
(2)
Thì có thể đơn giản đưa ra :
GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh
Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt
nghiệp
(3 )
2.2. Nguyên lý của thiết bị đo nồng độ oxy (Pulse Oximetry)
Từ nguyên lý của Oximetry ta có thể đo SaO
2
trong động mạch theo cách
sau:
Đỏ Tia hồng ngoại
Điốt quang
Hình 2.3: Vị trí đặt nguồn sáng và cảm biến

Với phương pháp này hai tia đỏ và hồng ngoại đặt sát trên đầu ngón tay
người bệnh, các tia sáng truyền qua đầu ngón tay được một điốt quang bên dưới
thu nhận.
Với hai tín hiệu của tia đỏ và hồng ngoại nhận được ta hoàn toàn tính được
nồng độ bão hòa của oxi trong động mạch.
GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh
Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt
nghiệp
Hình 2.4: Đồ thị sự hấp thụ ánh sáng sau khi truyền qua động mạch
Chú thích hình :
incident light: ánh sáng tới
attenuation: sự suy giảm
transmission: truyền dẫn
time: thời gian
Cường độ ánh sáng điốt quang nhận được có dạng như hình 2.4. Tín hiệu
này biến thiên theo thời gian đồng bộ với nhịp tim. Có thể chia mỗi tín hiệu
thành hai phần :
Thành phần một chiều DC : I
dc
Thành phần xoay chiều, biến đổi đồng bộ với nhịp tim AC : I
ac
Ánh sáng truyền qua ngón tay chịu sự hấp thụ của :
A – Máu trong động mạch
V – Máu trong tĩnh mạch
T – Xương, da, mô …
GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh
Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt
nghiệp
Do sự hấp thụ của máu trong tĩnh mạch, xương, da và mô là không đổi, chỉ có
sự hấp thụ của máu trong động mạch là thay đổi nên ta có thể tách bỏ phần tín

hiệu không đổi, giữ lại thành phần biến đổi, thành phần này mới mang thông tin.
a)
b)
Hình 2.5: Sự thay đổi cường độ sáng khi truyền qua ngón tay.
a. Đối với tia sáng đỏ
b. Đối với tia hồng ngoại
Hình vẽ này thể khẳng định lại một lần nữa rằng sự hấp thụ của máu
động mạch với hai tia đỏ và hồng ngoại là khác nhau.
Rõ ràng có thể cho rằng sự thay đổi mức độ hấp thụ ánh khi tim đập chỉ
bởi dòng máu chuyển động trong động mạch. Bởi vì khi tim co bóp, máu được
dồn nén mạnh với tần số đúng bằng tần số của tim, do tác động này của tim mức
độ tập trung của HbO
2
và Hb cũng thay đổi theo, do đó độ hấp thụ ánh sáng của
máu thay đổi và cường độ ánh sáng sau khi truyền qua cũng thay đổi.
Mức độ hấp thụ của tĩnh mạch, mô và xương hầu như không thay đổi
theo nhịp tim.
Chúng ta có thể xác định nồng độ bão hòa của oxi trong máu bằng cách loại
bỏ thành phần một chiều của tín hiệu từ toàn bộ tín hiệu nhận được. Kết quả chỉ
còn lại tín hiệu xoay chiều biến thiên đồng bộ theo nhịp tim (Cardiac –
Synchronous Pulsatile).
Phương trình tổng quát để tính giá trị R:
GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh
Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt
nghiệp
(4)
Hình 2.5a và 2.5b đưa ra các tín hiệu xoay chiều đồng bộ với nhịp tim khi
tia sáng đỏ và hồng ngoại chiếu qua ngón tay hay một phần nào khác của cơ thể
có chứa động mạch. Ở hình 2.5b ta thấy có thêm một cực đại phụ trong mỗi nhịp
tim, hiện tượng này khá phổ biến và là vấn đề cần phải giải quyết trong khâu xử

lý tín hiệu.
2.3. Tính nồng độ bão hòa của oxi trong máu
Trên thực tế, người ta không tính R theo phương trình (4) rồi thay vào
phương trình (3) để tính nồng độ bão hòa của oxi trong máu (SaO
2
), nhiều thí
nghiệm trên thế giới đã chứng tỏ phương pháp trên không còn chính xác khi
SaO
2
< 85%.
Thực nghiệm đã tìm ra được cách tính SaO
2
như sau:
Cho 2 nguồn phát với cùng cường độ sáng: Iin
1
= Iin
2
, Tính R một cách đơn giản
theo công thức:
(5)
Với I
1
là cường độ nhận được đối với tia đỏ
I
2
là cường độ nhận được đối với tia hồng ngoại
Từ đây tính SaO
2
theo công thức:
S = 110 – 25*R (6)

GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh
Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt
nghiệp
Các công thức (5), (6) khá đơn giản nhưng đây là các công thức tính được rút ra
từ thực nghiệm và đã được nhiều hãng chế tạo máy đo nồng độ oxy (Oximeter)
sử dụng.
Hình 2.6 so sánh các kết quả tính R và S theo hai cách tính nêu trên.
Sự khác biệt giữa đường lý thuyết Beer – Lambert và đường thực nghiệm khi
S>85% là nhỏ, nhưng với S<85% thì sự sai khác này đáng kể do đó xác định S
theo công thức (3) không còn chính xác.
Hình 2.6: Sự phụ thuộc của S vào R theo lý thuyết và thực nghiệm
Chú thích hình:
Ratio: tỉ lệ
Oxygen saturation: độ bão hòa oxy
Beer – Lambert model : mô hình Beer – Lambert
Empirical calibration: thực nghiệm chuẩn
GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh
Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt
nghiệp
3. Giải pháp.
Chúng ta đã có một sự hiểu biết về các khía cạnh lý thuyết của một thiết
bị đo nồng độ oxy và làm thế nào để có thể nhận được một tín hiệu điện liên
quan tới chức năng sinh lý. Bây giờ chúng ta phải thiết kế một hệ thống có thể
nhận được tín hiệu này. Chúng ta sử dụng nguyên tắc của truyền ánh sáng thông
qua một động mạch, phải cần một nguồn ánh sáng để truyền ánh sáng qua một
khu vực nhỏ (như các ngón tay). Chúng ta cũng cần có một thiết bị (thiết bị dò)
chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện, tín hiệu đó sẽ là tín hiệu mà ta cần.Điều
này có thể được thực hiện thông qua LED và bộ tách sóng quang nhỏ. Các bộ
tách sóng quang này được biết đến như là một trong hai diode tách sóng quang
phototransistors, thiết bị quang điện tử làm việc theo nguyên tắc phát hiện ánh

sáng sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu điện. Vì trong các hệ
thống điện, chúng tôi muốn làm việc với điện áp (do nhiều yếu tố, ví dụ như: dễ
sử dụng, điện áp được dễ dàng thao tác hơn vv ) Vì vậy chúng ta cần
một hệ thống chuyển đổi tín hiệu điện này thành một trong những tín hiệu mong
muốn. Khi đã có được tín hiệu mong muốn ta cần cho qua các khối xử lý tiếp để
đưa kết quả nồng đọ oxy ra màn hình hiển thị. Các chương tiếp theo sẽ nói rõ
hơn về vấn đề này.
GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh
Ngón tay
Photodetector
LED đỏ
Bộ định thời
LED hồng ngoại
Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt
nghiệp
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
1. Giới thiệu.
Trong chương này sẽ nói về thiết kế của hệ thống đo
Pulse Oximeter
. Phần
báo cáo này sẽ giải thích tổng quan về thiết kế ban đầu, sau đó là chi tiết thực
hiện từng phần.
2. Thiết kế hệ thống.
Chúng ta sẽ thiết kế một mạch điện để tính SaO
2
. Việc tính R bằng tỷ số
R = I
1
/I
2

có thể thay bằng tỷ số U
2
/U
2
, với U
1
và U
2
là hai điện áp được biến đổi
từ I
2
và I
2
với cùng một hệ số nhân.
2.1. Sơ đồ khối.
Hình 3.1: Sơ đồ khối của một Pulse Oximeter điển hình
GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh
Tiền khuếch
đại
Bộ lọcChuyển đổi dòng
điện- điện áp
Bộ khuếch
đại tổng
ADCCPU
Hiển thị
Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt
nghiệp
2.2. Chức năng của các khối:
2.2.1. Bộ định thời.
Có chức năng điều khiển LED đỏ và LED hồng ngoại sáng và tắt theo

đúng chu kì và điều khiển độ sáng cho LED phù hợp.
Hình 3.2: Giản đồ thể hiện chu kì sáng và tắt của các LED.
 IC555.
Nồng độ bão hòa của oxy trong máu là một hàm số của các cường độ sáng
nhận được khi truyền qua ngón tay nên kết quả của phép đo sẽ chính xác nhất
khi sử dụng một Detecter duy nhất. Do đó dùng bộ Timer để điều khiển hai LED
phát sáng sao cho tại một thời điểm đo nhất định chỉ có một LED phát (LED kia
nghỉ) và Phôtô điốt nhận được ánh sáng của LED đó. Trong mỗi thời điểm nhất
định sẽ có trạng thái hoặc LED đỏ sáng hoặc LED hồng ngoại sáng và trạng thái
không LED nào sáng. Trong đồ án này chúng em dùng IC555 và bộ đếm thập
phân với độ chính xác cao và cho phép tuỳ biến của tần số và chu kỳ nhiệm vụ
của tín hiệu đồng hồ. IC555 là loại linh kiện tạo xung vuông có điều chỉnh được
độ rộng xung (PWM). Mạch tạo xung vuông khá đơn giản chỉ cần hai điện trở
và một tụ điện là có thể tạo được dao động xung vuông được rồi và cấp cho
IC4017. IC555 tạo ra các xung clock để thiết lập trạng thái ON, OFF của các
LED theo một chu kì làm việc. Bộ định thời hoạt động dựa trên chu kì nạp và
phóng của một tụ điện để kiểm soát tần số và chu kỳ nhiệm vụ của xung đồng hồ
GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh
1
2 3
4
5
6
78
IC555
+Ucc
2Ucc
3
Ucc
3

Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt
nghiệp
được tạo ra. IC555 so sánh điện áp vào lấy trên tụ C
1
với điện áp ngưỡng được
thiết kế trong IC555.
Nhiệm vụ của IC555 này tạo ra tín hiệu đã được lựa chọn làm việc là <
50% trong một chu kỳ và tần số đã được lựa chọn là 1 KHz và đảm bảo sẽ
không có tín hiệu răng cưa trong quá trình lấy mẫu.
Hình 3.3: Sơ đồ chân IC555
Hình 3.4: Sơ đồ trải của vi mạch định thời IC555
GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh
Chân 1 : GND (nối đất )
Chân 2 : Đầu kích mức thấp
Chân 3 : Output ( đầu ra )
Chân 4 : Reset (hồi phục )
Chân 5 : Điện áp điều khiển
t1 t2 t3 t4 t5 t6
UC
Ura
2Ucc/3
Ucc/3
0
0
t
t
tn tp
T
Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt
nghiệp

Hình 3.4: Giản đồ thời gian của điện áp trên mạch phát xung.
Cấu tạo cơ bản của IC555 từ hai phần tử khuếch đại thuật toán OA1, OA2 và
một Trigơ R-S. Trong đó hai khuếch đại thuật toán được mắc theo kiểu mạch so
sánh có điện áp ngưỡng được lấy trên bộ phân áp dùng ba điện trở có cùng giá
trị R. Với cách mắc như trên thì điện áp ngưỡng của các mạch so sánh là
3
Ucc
đối với OA
2
và
3
2Ucc
đối với OA
1
. Quan sát trên sơ đồ ta thấy điện áp trên tụ C
được đặt tới đầu vào còn lại của hai mạch so sánh nên giá trị điện áp trên tụ sẽ
quyết định trạng thái của chúng.
* Giả sử tại thời điểm đầu (t = 0) điện áp trên tụ C là
3
2Ucc
u
C
=
thì đầu ra OA1
có mức logic “1” còn đầu ra OA2 có mức logic “0”, đầu ra
Q
có mức logic “1”
(R = 1, S = 0), tranzitor T thông. Tụ C phóng điện qua R
B
, qua T về mát làm

cho điện áp trên nó giảm dần. Đầu ra của mạch phát xung không có xung ra
(mức logic “0”).
GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh
Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt
nghiệp
+ Khi
33
2
CC
C
CC
U
u
U
>>
thì đầu ra của OA
1
và OA
2
đều có mức logic “0” trigơ
vẫn giữ nguyên trạng thái (R = 0, S = 0), T vẫn mở, tụ C tiếp tục phóng điện,
điện áp trên nó tiếp tục giảm, xung ra ở mức logic “0”.
+ Đến thời điểm t
1

3
CC
C
U
u ≤

, đầu ra OA
2
có mức logic “1”, còn đầu ra OA
1
vẫn có mức logic “0”,
__
Q
nhận trị “0” (R = 0, S = 1). Qua cổng NAND ta nhận
được xung ra ở mức logic “1”, đồng thời tranzitor T khoá tụ C được nạp từ +U
CC
→ R
A
→ R
B
→ C

→ mát. Quá trình tụ nạp điện áp trên nó tăng dần theo biểu
thức sau:








−=−=+









−=
+
−
+
−
+
−
+
−
CRR
t
cc
CRR
t
cc
cc
CRR
t
cc
CRR
t
ccC
BABABABA
eUe
U

Ue
U
eUu
).().().().(
3
2
1)
3
2
.
3
1.
+ Trong khoảng thời gian điện áp trên tụ thoả mãn:
3
2
3
cc
C
cc
U
u
U
<≤
các đầu
ra bộ so sánh đều nhận trị “0”, trigơ giữ nguyên trạng thái (R = 0, S = 0), xung
ra vẫn tồn tại ở mức logic “1”, T vẫn khóa tụ C tiếp tục được nạp điện.
+ Cho đến thời điểm t
2
, u
C

≥ 2U
cc
/3 đầu ra của OA
1
chuyển trạng thái lên
mức logic “1”, đầu ra của OA
2
vẫn giữ nguyên trạng thái ở mức “0”,
__
Q
nhận trị
“1” (R =1, S = 0), xung ra nhận mức logic “0” đồng thời T thông bão hoà, tụ C
phóng điện, hoạt động của mạch lặp lại như quá trình từ 0 ÷t
1
. Kết quả là ta thu
được một dẫy xung vuông ở đầu ra trên chân 3 của vi mạch 555.
Để thay đổi tần số xung ra thì thay đổi hằng số thời gian phóng, nạp của tụ
C bằng cách thay đổi giá trị các điện trở R
A
và R
B
.
GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh
Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt
nghiệp
` Thời gian để điện áp trên tụ được nạp từ giá trị U
CC
/3 đạt đến giá trị 2U
CC
/3

ta tính được theo công thức sau:








−+=
+
−
+
−
CRR
t
CC
CRR
t
CCCC
BA
n
BA
n
eUe
UU
).().(
1
33
2

Đơn giản phương trình ta được :
3
.
3
2
).(
CC
CRR
t
CC
U
e
U
BA
n
=
+
−
Ln hai vế:
CRRCRR
BABA
) (7,02ln.).(t
n
+≈+=
Trong khoảng từ 0 ÷ t
1
tụ C phóng điện từ giá trị ban đầu là 2U
CC
/3 đến U
CC

/3.
Biểu thức điện áp trên tụ:
CR
t
CCC
B
eUtu
.
.
3
2
)(
−
=

Tại t = t
1
:
CR
tp
CC
CC
B
eU
U
.
.
3
2
3

−
=
Với t
p
là hằng số thời gian phóng của tụ C

CRCR
BB
7,02ln t
p
≈=
Chu kỳ T của dãy xung ra:
T = t
n
+ t
p
= 0,7(R
A
+ R
B
).C + 0,7R
B
.C = 0,7(R
A
+ 2R
B
).C
Nếu mắc thêm điôt D song song với điện trở R
B
như hình vẽ thì tụ C sẽ nạp

điện theo đường +Ucc → R
A
→ D → C → mát, thời gian nạp của tụ C sẽ được
tính: t
n
= 0,69.C.R
A
, và khi này chu kỳ của dãy xung ra sẽ được tính:
T = t
n
+ t
p
= 0,7.R
A
.C + 0,7.R
B
.C = 0,7.(R
A
+ R
B
).C
GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh
Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt
nghiệp
Với thông số lựa chọn trong mạch R
1
= 1K, R
2
= 65K, C
1

= 0.7 nF ta có mạch
điện như sau:
Hình 3.3: Mạch nguyên lý và giản đồ thời gian của IC555.
Thời gian nạp của tụ C
1
là:
- Thời gian phóng của tụ C1 là:
 Bộ đếm thập phân.
Chúng ta cần thiết kế một hệ thống xác định trạng thái các tín hiệu để điều
khiển thời gian on và off và các LED. Ba trạng thái tín hiệu cơ bản là:
 Red LED on, IR LED off.
 Red LED off, IR LED on.
 Cả hai đèn LEDs off.
Sự cần thiết của trạng thái thứ ba mà cả hai đèn LED đều tắt để đảm bảo
rằng chu kỳ nhiệm vụ hai trạng thái khác là ít hơn 50% và cho phép một khoảng
thời gian nghỉ cho Phôtô điốt và đèn LED. Nếu hai trạng thái rất gần nhau, và
GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh