BÁO cáo đồ án 2 đề tài THIẾT kế MẠCH đo NHỊP TIM HR sử DỤNG cảm BIẾN HỒNG NGOẠI đặt tại đầu NGÓN TAY

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2 Đề tài THIẾT KẾ MẠCH ĐO NHỊP TIM HR SỬ DỤNG CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI ĐẶT TẠI ĐẦU NGÓN TAY Giảng viên hướng dẫn TS Vũ Duy Hải Sinh viê[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Mục Lục

Lời mở đầu 3

Chương 1 Giới thiệu đề tài 4

1 Tên đề tài 4

2 Khái quát chung 4

1.2.1Giới thiệu về dòng vi xử lý MSP430 4

1.2.2 Các sản phẩm đã có trên thị trường 5

1.2.3 Các chỉ tiêu kỹ thuật của sản phẩm 6

Chương II Phân tích yêu cầu và lập kế hoạch 7

2.1 Phân tích thiết kế mạch 7

2.1.1 Sơ đồ phân cấp chức năng của hệ thống 7

2.1.2 Sơ đồ khối của mạch 8

2.1.3 Pha hoạt động của mạch 9

2.2 Lập kế hoạch 11

2.3 Nhiệm vụ và công việc của các thành viên 13

2.2.1 Hoàng Anh Tuấn 13

2.2.2 Phương Văn Tưởng 13

2.2.3 Lê Thế Tuấn 13

Chương III Thiết kế từng khối 14

3.1 Khối cảm biến 14

3.2 Khối lọc nhiễu tín hiệu 15

3.3 Khối khuyếch đại 16

3.4 Khối vi xử lý 16

3.5 Khối hiển thị 17

3.6 Khối nguồn 18

Chương IV Triển khai và các kết quả đạt được 19

4.1 Đo và hiệu chỉnh giá trị tín hiệu trên oscilloscope cho khối cảm biến 19

4.2 Mạch hoàn chỉnh sau khi thực hiện ghép các khối 21

Chương V Kết luận và hướng phát triển đề tài 22

Tài liệu tham khảo 23

Phụ lục 24

Lời mở đầu

Tim là bộ phận quan trọng trong hệ tuần hoàn của động vật, với chức vụ bơm đều đặn để đẩy máu theo các động mạch và đem dưỡng khí và các chất dinh dưỡng đến toàn bộ cơ thể Chính vì vậy đo nhịp tim là một trong những điều rất quan trọng của

hệ thống tim mạch con người Nhịp tim nhanh hay chậm là phụ thuộc vào thể trạng, trạng thái của cơ thể Ví dụ như nhịp tim của một người trưởng thành khi đang ở trạng thái nghỉ bình thường là 72 nhịp mỗi phút (bpm) Vận động viên thường có nhịp đập thấp hơn những người bình thường, những người ít hoạt động hơn Trẻ em thì lại có nhịp tim nhanh hơn, khoảng 120 bpm, trong khi trẻ em lớn tuổi, hay là trẻ vị thành niên lại có nhịp tim vào khoảng 90 bpm Khi chúng ta tập thể dục, làm việc nặng nhọc thì nhịp tim sẽ tăng và sẽ trở về mức bình thường khi chúng ta nghỉ ngơi Nếu như nhịp tim của bạn mà thấp hơn người bình thường thì đó là dấu hiệu của tình trạng được gọi là nhịp tim chậm và ngược lại

Từ thời xa xưa, việc đo nhịp tim đã trở nên vô cùng quan trọng nhưng có điều nó rất kém chính xác và thủ công bằng cách là bắt mạch ở cổ tay… Cách này chỉ mang tính ước lượng, theo kinh nghiệm là chủ yếu và dễ có sai sót Nhưng ngày nay, với sự phát triển của công nghệ thì các máy đo nhịp tim ra đời, rất gọn nhẹ và tiện dụng Ví dụ: máy đo điện tim (ECG) là một thiết bị hết sức thông dụng tại các cơ sở y tế, cho kết quả rất chính xác, và còn rất nhiều máy đo thông dụng trên thị trường như: Máy

đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim Maxcare, máy đo đeo tay Nymi của công ty Byonim …

Nhưng với giá thành không hề rẻ chút nào, vào khoảng 2 triệu đồng cho 1 sản phẩm, thì đây không phải ai cũng có thể sở hữu nó được, nhất là đối với những bạn sinh viên và những người có thu nhập thấp Chính vì vậy nhóm em đã lựa chọn đề tài:

với hi vọng sẽ thiết kế được một thiết bị có khả năng đưa ra kết quả chính xác, gọn nhẹ, dễ dàng sử dụng, chi phí thấp nhất có thể để hướng tới tất cả người dùng

Chương 1 Giới thiệu đề tài

1 Tên đề tài

Đề tài: Thiết kế mạch đo nhịp tim sử dụng cảm biến hồng ngoại đặt tại đầu ngón

tay hiển thị trên màn hình LCD Yêu cầu sử dụng dòng vi điều khiển MSP430 của hãng IT

Phân tích đề tài: Mục đích của project là thiết kế máy đo nhịp tim nhỏ gọn với mức tiêu hao năng lượng thấp nhưng có độ chính xác cao Hơn nữa, phải dễ dàng sử dụng, mang theo người và có chi phí sản xuất thấp nhất Máy đo sử dụng Led và photo-sensor để phát hiện sự thay đổi lượng máu tại đầu ngón tay

2 Khái quát chung 1.2.1Giới thiệu về dòng vi xử lý MSP430

MSP430 là một sự kết hợp chặt chẽ của một CPU RISC 16 bit, những khối ngoại vi,

và hệ thống xung linh hoạt MSP430 đã đưa ra được những giải pháp tốt cho những nhu cầu ứng dụng với nhiều phiên bản khác nhau MSP430 có một số phiên bản như:

MSP430x1xx, MSP430x2xx, MSP430x3xx, MSP430x4xx, MSP430x5xx

Dưới đây là một số đặc tính của họ vi xử lý MSP430:

 Kiến trúc nguồn điện cực thấp để mở rộng tuổi thọ của Pin

- 1uA duy trì RAM

- 0.8 uA chế độ xung thời gian thực

- 250 uA/MIPS tích cực

 Xử lý tín hiệu tương tự với hiệu xuất cao

- 12-bit hoặc 10-bit ADC – 200Kbps, cảm biến nhiệt, V(Ref)

- Thiết kế nhỏ gọn làm giảm lượng tiêu thụ điện và giảm giá thành

- Tối ưu hóa cho những chương trình ngôn ngữ bậc cao như C, C++

- Có 7 chế độ địa chỉ thanh ghi

- Khả năng ngắt theo véc tơ lớn

 Trong lập trình cho bộ nhớ Flash cho phép thay đổi code một cách linh hoạt, phạm vi

rộng, bộ nhớ flash còn có thể lưu lại được nhật ký dữ liệu

1.2.2 Các sản phẩm đã có trên thị trường

Hiện nay trong khuôn khổ các project nhỏ được sử dụng trong các môn học về Vi

xử lý, đã có rất nhiều các sản phẩm tương tự dùng các dòng vi xử lý khác như PIC,

8051, … Tất cả đều thành công với các độ chính xác trong giới hạn cho phép của thiết

bị Tuy nhiên với việc sử dụng Vi điều khiển MSP430, chúng em hy vọng sẽ tạo ra một mạch đo nhịp tim có độ chính các vượt trội

1.2.3 Các chỉ tiêu kỹ thuật của sản phẩm

 Yêu cầu chức năng của mạch

 Đo nhịp tim

 Hiển thị ra kết quả trên LCD và từ đó đưa ra lời kết luận cho người sử dụng

 Yêu cầu phi chức năng của mạch

 Kết quả đo khá chính xác, với độ lệch + - 1 nhịp

 Gọn nhẹ, thân thiện với người dùng, dễ dàng sử dụng

 Tiêu thụ ít điện năng nhờ sử dụng chip MSP430 của TI

 Có thể sử dụng được 2 nguồn điện:

Nguồn pin

Nguồn từ bên ngoài

 Có nhiều chế độ đo cho người dùng lựa chọn

 Giá thành thấp (khoảng 350.000 đồng )

 Có thể đo được với tất cả các ngón tay

 Các tiêu chí, thông số kỹ thuật của mach cần đạt được

- Đối tượng sử dụng:

Tất cả mọi người đều có thể sử dụng

- Tiêu thụ điện năng, công suất:

Sử dụng nguồn pin hoặc nguồn bên ngoài 5V

- Môi trường hoạt động

Thiết bị sẽ hoạt động được trong môi trường có dải nhiệt từ -30º C to 80º C

Chương II Phân tích yêu cầu và lập kế hoạch 2.1 Phân tích thiết kế mạch

2.1.1 Sơ đồ phân cấp chức năng của hệ thống

Chức năng chính của mạch là đo nhịp tim, nhưng ở đây người dùng có thể chọn 1 trong 2 chế độ đo:

 Chế độ 1 là đo nhanh: Ở chế độ này, người dùng đặt ngón tay bất kỳ lên sensor

sau một khoảng thời gian lấy mẫu xác định thì máy sẽ đếm nhịp tim và hiện thị trên khối hiển thị

 Chế độ 2 là chế độ đo nâng cao:

Về bản chất ở chế độ này cũng vẫn chỉ là đo và hiện thị nhưng nó tiện ích hơn ở chế độ 1 đó là sau khi đo xong nó sẽ đưa ra kết quả và kết luận về nhịp tim của

Máy đo nhịp tim

Lựa chọn chế độ đo

Đo theo độ tuổi

Đo theo trạng thái người dùng

người bình thường sau khi hoạt động mạnh

Nhận xét kết quả đo

người dùng ra màn hình hiển thị bằng việc so sánh các giá trị chuẩn đối với lứa tuổi và thể trạng mà khoa học đã chứng minh

Ví dụ: như nếu một người trưởng thành, đang ở trạng thái nghỉ khi đo cho kết quả khoảng 50 nhịp đập/ 1 phút, khi so sánh với chuẩn là 72 nhịp đập/ 1 phút đối với người bình thường thì mức chênh lệch so với chuẩn lớn so với mức cho phép nên thiết bị sẽ kết luận là nhịp tim chậm, và đưa lời gợi ý tới bác sĩ cũng như lời khuyên cho người đo

Để tăng tính đa năng của sản phẩm cũng như không lãng phí tài nguyên khi sử dụng chip msp430 của TI, thì chúng em sẽ có thêm một chức năng phụ thêm vào hệ thống

đó là phần hiển thị thời gian thực, hẹn giờ, báo thức…

Sản phẩm không chỉ là một thiết bị đo nhịp tim mà còn là một chiếc đồng hồ gọn nhẹ

và tiện dụng, rất phù hợp với các vận động viên

2.1.2 Sơ đồ khối của mạch

Cấu tạo mạch gồm 5 khối chính:

 Optical transmitter and receiving circuit

Sử dụng một LED hồng ngoại và một photodiode sensor

 Low pass filter and amplifier:

Gồm các mạch lọc thông thấp, và các tầng khuếch đại tín hiệu

 Key pad:

Bao gồm các phím ấn dùng để giao tiếp với người dùng

 MCU:

Một con vi điều khiển kết nối với các khối trong mạch có chức năng đếm và xử

lý tín hiệu Đây là khối quan trọng nhất của mạch

2.1.3 Pha hoạt động của mạch

 Bước 1 Lấy tín hiệu từ Sensor (chi tiết được thiết kế ở khối cảm biến)

 Bước 2: Lọc tín hiệu

Đây là một trong những bước rất quan trọng vì tín hiệu đầu ra của photodiode bị nhiễu không chỉ bởi có ánh sáng đi từ LED mà còn có các ánh sáng khác từ bên ngoài đi tới sensor, và làm tín hiệu bị biến dạng Nếu chúng ta không lọc tín hiệu thì kết quả đếm

sẽ rất dễ bị sai

Ví dụ như đây là tín hiệu ở đầu ra của sensor:

Hình 2.2.3 Tín hiệu đầu ra của photo-sensor Sau khi nó đi qua bộ lọc thông thấp và kết quả của sẽ là:

Hình 2.2.4 Tín hiệu đầu ra sau khi đi qua bộ lọc thông thấp

 Bước 3: Số hóa tín hiệu

Vì sử dụng vi xử lý để đếm tín hiệu nên tín hiệu phải được số hóa Sau khi tín hiệu được lọc ở bước 2 nó sẽ đi qua mạch so sánh để đưa tín hiệu về dạng xung clock như hình bên dưới:

Hình 2.3.5 Tín hiệu đầu ra sau khi đi qua bộ so sánh

 Bước 4: Đếm nhịp đập (Micro – controller)

Sau khi tín hiệu được số hóa thì nó đưa vào một chân của Vi Điều Khiển để đếm

Thời gian giữa 2 đỉnh của xung sẽ được đo bởi Vi Điều Khiển vì vậy nhịp tim sẽ được

đo trong khoảng thời gian ngắn mà không phải đặt tay đến 1 phút

 Bước 5: Hiển thị kết quả

Sau khi vi xử lý thực hiện xong quá trình đếm thì kết quả cuối cùng sẽ được hiển thị trên khối hiển thị, đối với mạch của chúng em sẽ gắn thêm 1 led và 1 còi báo, cứ mỗi lần có tín hiệu vào thì đèn sẽ nháy sáng và còi sẽ báo

- Tìm hiểu và xây dững các khối chức năng của mạch

2 tuần Hoàng Tuấn

3 ngày Hoàng Tuấn

lập trình cho vi điều khiển

6 Hàn mạch Hàn chân linh kiện lên mạch in

và cấp nguồn để test mạch đồng thời xử lí lỗi nếu có

2.3 Nhiệm vụ và công việc của các thành viên

2.2.1 Hoàng Anh Tuấn

Tìm hiểu và học dòng vi xử lý MSP430 của hãng IT Ứng dụng mạch tương tự vào xử lí tín hiêu đầu vào chip Tìm hiểu về LCD

Tham gia viết code cho Project: Code cho phần xử lý nút bấm

2.2.2 Phương Văn Tưởng

Tìm hiểu và học dòng vi xử lý MSP430 của hãng IT Ứng dụng mạch tương tự vào xử lí tín hiêu đầu vào chip Tìm hiểu về LCD

Tham gia viết code cho Project: Code cho phần đếm sườn tín hiệu vào sử dụng ADC trong MSP430

2.2.3 Lê Thế Tuấn

Học cách sử dụng phần mềm vẽ mạch Altium Thiết kế mạch in cho Project

Tìm hiểu cảm biến TRT5000

Chương III Thiết kế từng khối 3.1 Khối cảm biến

Đây là khối vô cùng quan trọng bởi chức năng là thu nhận tín hiệu ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện áp cho các khối xử lý tương tự tiếp theo

Cảm biến chúng em sử dụng ở đây là con RPR-359F.Đây là bộ cảm biến quang phản

xạ, cực Emiter của photodiode được làm bằng hợp chất bán dẫn GaAs do vậy đây là

bộ cảm biến có độ nhạy rất cao Hơn nữa nó được được bao kín bằng hợp chấtt nhựa plastic có khả năng lọc ánh sáng nhiễu từ bên ngoài

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý khối Sensor Trong khối này được kết nối với một chân của vi điều khiển RA3 dùng để điều khiển hoạt động của cảm biến thông qua Transistor QB1 Tín hiệu ra tại chân số 4 của led thu hồng ngoại như hình vẽ

 Chức năng của khối cảm biến : phát hiện nhịp đập của tim

Hình 3.2 Vị trí của ngón tay trong mạch phát hiện nhịp đập

Đầu tiên Optical Signal Transmitter (LED) sẽ phát ra ánh sáng xuyên qua ngón tay

và đi tới Optical Signal Receiver (sensor)

Nhịp đập của tim được phát hiện thông qua sự thay đổi của lưu lượng máu ở đầu ngón tay, mỗi nhịp đập thì lưu lượng máu từ tim sẽ được bơm khắp toàn bộ cơ thể khiến cho mật độ máu tại các đầu ngón tay sẽ tăng lên và sẽ gây ra sự sụt giảm mạnh cường độ ánh sáng đi tới sensor từ LED Sensor sẽ nhận được cường độ tín hiệu ánh sáng thay đổi tuần hoàn theo từng mỗi nhịp đập của tim Vì sensor có nhiệm vụ chuyển tín hiệu ánh sáng sang tín hiệu điện nên tại đầu ra của photo-sensor, điện áp

sẽ bị thay đổi theo cường độ ánh sáng Giá trị điện áp ở đầu ra sensor sẽ trong khoảng 0-10 mV Giá trị điện áp này sẽ tiếp tục được xử lý tại khối lọc và khuếch đại

3.2 Khối lọc nhiễu tín hiệu

Vì tín hiệu bị nhiễu rất nhiều do các ánh sánh bên ngoài tác động vào con cảm biến nên cần lọc nhiễu cho tín hiệu ra ở sensor, như vậy khi đo kết quả sẽ chính xác hơn

Vì nhịp tim của con người dao động ở mức 60-12o nên tần số dao động ở mức 1-2hz nên sử dụng mạch lọc thông thấp để lọc nhiễu tín hiệu với tần số cắt là: =

∗ √

3.3 Khối khuyếch đại

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý khối khuếch đại Đây là khối khuếch đại kèm theo bộ lọc tín hiệu một chiều:

 Khối khếch đại gồm hai IC ghép nối tiếp nhau, mỗi IC có hệ số khuếch đại

101 lần Do vậy tổng hệ số khuếch đại của cả khối là xấp xỉ 10000 lần

 Mạch sử dụng bộ lọc tín hiệu 1 chiều (R4,C2) có tác dụng khử thành phần

1 chiều trước khi đưa vào tầng khuếch đại

IC khuếch đại chúng em sử dụng là con LM358 có một số đặc tính thông số như sau:

- Là IC có 8 chân

- Hoạt động trong dải tần rộng

- Dải điện áp từ 3V-32V(nguồn đơn) và từ ±5 V to ±1.6 V(nguồn đôi)

- Nhiệt độ hoạt động của IC là từ 0°C to 70°C

3.4 Khối vi xử lý

Khối vi xử lí được kết nối với các khối khác và hoạt động theo code lập trình.Sau đây là lưu đồ thuật toán:

Hình 3.3 Lưu đồ thuật toán của khối vi xử lí

3.5 Khối hiển thị

Khối hiển thị sử dụng màn hình LCD 16x2, với chức năng hiển thị kết quả đo nhịp tim mà vi điều khiển tính toán lên cho người dùng xem

3.6 Khối nguồn

Đây là khối nguồn được thiết kế từ cổng USB chuẩn mức điện áp 5V qua IC LM1117 để tạo ra nguồn Vcc = 3.5V cung cấp cho mạch

Chương IV Triển khai và các kết quả đạt được

Sau khi thiết kế chi tiết từng khối cho mạch, chúng em bắt đầu đo xác định giá trị tín hiệu đồng thời hiệu chỉnh kịp thời để các khối thực hiện đúng chức năng đã đề ra

4.1 Đo và hiệu chỉnh giá trị tín hiệu trên oscilloscope cho khối cảm biến

Tín hiệu điện áp thu được từ sensor được lọc nhiễu và khuếch đại lên ta được điện tâm đồ hiển thị trên oscilloscope:

Hình 4.1 Điện tâm đồ được đo bằng sensor

Giá trị tín hiệu đo được tại đầu ra của khối sensor:

Tín hiệu Giá trị Usensor(max) 0.016V Usensor(min) 0.012V

 Độ biến thiên điện áp đầu ra sensor là 4 mV là rất nhỏ do vậy ta phải khuếch đại lên và khử tín hiệu một chiều đồng thời khử nhiễu bằng các bộ lọc thông thấp

4.2 Mạch hoàn chỉnh sau khi thực hiện ghép các khối

Chương V Kết luận và hướng phát triển đề tài

Đây thực sự là một đề tài hay và đầy ý nghĩa Nó mang lại cho chúng em một trải nghiệm vô cùng lý thú Qua môn học project 2, giúp chúng em không chỉ vận dụng kiến thức học được từ nhà trường vào thực nghiệm mà còn rèn luyện các kĩ năng cần thiết khác trong học tập và xa hơn là trong công việc sau này Kết quả đạt được này không chỉ nhờ sự đoàn kết tương trợ giữa các thành viên trong nhóm mà còn phải nhắc đến sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Vũ Duy Hải

Đây là Project thứ 2 chúng em làm, cũng như project 1 một phần quan trọng sau mỗi môn học thực hành này chúng em phải đúc kết ra những bài học quý báu đồng thời đề

ra được hướng phát triển cho đề tài Trong đề tài này, chúng em muốn xử lý thêm phần âm thanh để đưa ra những lời khuyên về sức khỏe sau mỗi lần đo dựa trên kết quả đo được

Cuối cùng, dù đã cố gắng nhưng không tránh khỏi những sai sót, chúng em mong nhận được những lời đánh giá và nhận xét quý báu từ thầy để chúng em tiến bộ hơn nữa