Thiết kế bộ thu thập và xử lý tín hiệu điện tim ecg,đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

Khi đó với việc thiết kế và thi công một thiết bị thu và xử lý tín hiệu điện tim ECG- Electro Cardio Graph giao tiếp với máy tính là điều rất cần thiết.. Khi thiết kế được một thiết bị t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI-CƠ SỞ II

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI-CƠ SỞ II

Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật công nghệ

Sinh viên thực hiện: Đặng Thành Long Nhật Nam, Nữ: Nam

PH ẦN DẪN NHẬP 1

1 Lý do chọn đề tài : 1

2 Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu: 1

3 Khách thể và đối tượng nghiên cứu: 2

4 Phương pháp nghiên cứu: 2

CH ƯƠNG 1: TÌM HIỂU CHUNG VỀ ĐIỆN TÂM ĐỒ(ECG) 3

1.1 Lý thuyết tim, tín hiệu điện tim và đạo trình 3

1.1.1 Vị trí, cấu tạo, vai trò và hoạt động của tim 3

1.1.1.1 Vị trí của tim 3

1.1.1.2 Cấu tạo của tim 3

1.1.1.3 Vai trò của tim 4

1.1.1.4 Hoạt động của tim 4

1.1.2 Sự hình thành tín hiệu điện tim (ECG) 6

1.1.2.1 Điện tâm đồ (Electrocardioghram - ECG) 6

1.1.2.2 Sóng của tín hiệu điện tim 7

1.1.3 Cấu trúc cơ bản của máy đo điện tâm đồ(ECG) 8

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MODULE ANALOG 11

2.1 Mạch khuếch đại vi sai 11

2.1.1 Mạch khuếch đại chuyên dụng cho ECG 11

2.1.2 Thiết kế 13

2.2 Tổng quan về mạch lọc tương tự 13

2.2.1 Thiết kế mạch lọc thông thấp (fc =150Hz) 14

2.2.2 Thiết kế mạch lọc thông cao (fc =0.05Hz) 16

2.2.3 Thiết kế mạch lọc triệt dải (fc =50Hz) 18

2.2.3.1 Bộ lọc Twin-T 18

2.2.3.2 Thiết kế mạch lọc triệt dải fc =50Hz dùng bộ lọc Twin-T 19

2.3 Mạch dịch điện áp 20

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MODULE DIGITAL 24

3.1 Module Digital 24

3.2 Tổng quan về PIC 16F877A 24

3.2.1 Các cổng ra vào của PIC 16F877A 26

3.2.2 Timer 27

3.3 Khối chuyển đổi ADC 28

CHƯƠNG 4: PHẦN MỀM LABVIEW 29

4.1 Tổng quan về LabVIEW 29

4.2 Cấu tạo của LabView 30

4.2.1 Font panel 31

4.2.2 Block diagram 32

4.2.3 Icon và connector 33

4.2.4 Các hàm cơ bản cần thiết 35

4.2.5 Các hàm chuyển giữa number và string 35

4.2.6 Một số hàm với mảng 36

4.2.7 Các khối VISA thường dùng 38

4.2.8 Measurement & Automation Explorer (MAX) 39

4.3 Labview cho xử lý tín hiệu ECG 40

4.3.1 Tín hiệu tiền xử lý ECG 40

4.3.2 Thực hiện khai thác tính năng trên tín hiệu điện tâm đồ 43

4.4 Thiết kế giao diện LabVIEW 45

CHƯƠNG 5: ĐIỆN CỰC VÀ CÁP 47

CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 49

6.1 Kết quả thu được 49

6.2 Ứng dụng 50

K ẾT LUẬN 56

1 Nhận xét 56

2 Những vấn đề giải quyết trong đề tài 56

ạn chế của đề tài 56

KI ẾN NGHỊ 57 Tài li ệu tham khảo 58

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Thiết kế bộ thu thập và xử lí tín hiệu điện tim ECG

- Sinh viên thực hiện: Đặng Thành Long Nhật

- Lớp: Kỹ thuật viễn thông K52 Khoa: Điện-Điện tử

- Năm thứ: 3 Số năm đào tạo: 4

- Người hướng dẫn: KS.Lê Mạnh Tuấn

2 Mục tiêu đề tài: Thiết kế bộ thu thập và xử lí tín hiệu điện tim ECG

3 Tính mới và sáng tạo: Có

4 Kết quả nghiên cứu: Hoàn thành được mục tiêu đề ra

5 Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, an ninh, quốc phòng và khả

năng áp dụng của đề tài: Đóng góp về lĩnh vực khoa học và y tế

6 Công bố khoa học của sinh viên từ kết quả nghiên cứu của đề tài:

THÔNG TIN VỀ SINH VIÊN CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

I SƠ LƯỢC VỀ SINH VIÊN:

Họ và tên: Đặng Thành Long Nhật

Sinh ngày: 18 tháng 07 năm 1993

Nơi sinh: An Khê – Gia Lai

Lớp: Kỹ thuật viễn thông Khóa: 52

Khoa: Điện – Điện tử

Địa chỉ liên hệ:

Điện thoại: 0905587839 Email: mrnhat.ktvt.k52@gmail.com

II QUÁ TRÌNH HỌC TẬP

* Năm thứ 1:

Ngành học: Kỹ thuật viễn thông Khoa: Điện – Điện tử

Kết quả xếp loại học tập: Trung bình

Sơ lược thành tích: Không thành tích

PH ẦN DẪN NHẬP

1 Lý do ch ọn đề tài :

Trong thời đại công nghiệp hoá toàn cầu hiện nay, Việt Nam đang có những bước tiến quan trọng trong quá trình hội nhập với xu thế phát triển chung của thế giới trong tất cả các lĩnh vực: kinh tế, văn hoá, xã hội … và đặc biệt là sự ứng dụng của khoa học công nghệ trong đời sống của con người chúng ta Điện tử viễn thông và công nghệ thông tin ngày càng đi sâu phục vụ cho đời sống

Ngày nay khi mà cuộc sống đã ổn định thì nhu cầu chăm sóc sức khoẻ cũng như khám chữa bệnh của người dân ngày càng cao và đặc biệt là sự ứng dụng của điện tử cũng như tin học trong đời sống và trong khám chữa bệnh ngày càng được sử dụng nhiều hơn nhất là trong các lĩnh vực đòi hỏi thời gian, sự liên kết, xử lý, vận hành và lưu trữ như trong thương mại, dịch vụ, y tế và giáo dục…

Chẳng hạn, trong y học để thuận tiện hơn trong việc khám và điều trị theo dõi, quan sát và lưu trữ dữ liệu cho những bệnh nhân một cách chính xác hơn Đặc biệt là với một số thiết bị trong y tế có giá thành quá cao Khi đó với việc thiết kế và thi công một thiết bị thu và xử lý tín hiệu điện tim (ECG- Electro Cardio Graph) giao tiếp với máy tính là điều rất cần thiết Khi thiết kế được một thiết bị thu tín hiệu ECG giao tiếp với máy tính sẽ cho phép các bác sĩ theo dõi tín hiệu điện tim của bệnh nhân một cách liên tục và chính xác Nhờ vậy mà có thể phát hiện những triệu chứng bất thường về tim mạch Hơn nữa với việc mô phỏng và giao tiếp với máy tính sẽ giúp cho việc lưu trữ về dữ liệu điện tim của bệnh nhân, tránh được tối đa những sai sót có thể gây ra hậu quả đáng tiếc do bất cẩn Đặc biệt là chi phí của thiết bị có thể giảm đi một cách đáng kể so với những thiết bị khi chúng ta phải nhập về từ nước ngoài

2 M ục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu:

Nhiệm vụ:

1 Tìm hiểu tín hiệu điện tim

2 Thiết kế mô hình máy thu tín hiệu điện tim ECG

3 Chuẩn đoán bệnh cơ bản

Mục tiêu:

Nắm được các kiến thức cơ bản liên quan để từ đó thiết kế và thi công một mô hình máy điện tim ECG có thể kết nối, truyền dữ liệu với máy tính, với giao diện hiển thị dạng sóng điện tim bằng phần mềm viết bằng ngôn ngữ Labview

3 Khách th ể và đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu: Cấu tạo, hoạt động và vai trò của tim, sự hình thành sóng tim, đạo trình, tín hiệu điện tim, các mạch điện tử có liên quan tới đề tài, ngôn ngữ C ( PIC 16F877A ), Labview…

Khách thể nghiên cứu: tất cả những khách hàng có nhu cầu sử dụng các ứng dụng máy điện tim ECG

4 Phương pháp nghiên cứu:

Các phương pháp nghiên cứu chính:

– Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết

– Phương pháp phân loại hệ thống hoá lý thuyết

Hai phương pháp trên được sử dụng trong quá trình xử lý dữ liệu sau khi thu thập Vì đề tài thuộc lĩnh vực khoa học kỹ thuật (điện tử ) nên lý thuyết của vấn đề nặng về tính hàn lâm Do đó người nghiên cứu sẽ phải sử dụng các thao tác tư duy logic như phân tích, tổng hợp, phân loại, hệ thống lý thuyết; từ đó mới có thể tìm hiểu bản chất, cấu trúc bên trong của lý thuyết của vấn đề nghiên cứu Bởi có nắm vững được lý thuyết của vấn đề nghiên cứu, người nghiên cứu mới có khả năng vận dụng chúng để giải quyết một cách sáng tạo những yêu cầu thực tế đề ra

Phương pháp thực nghiệm: Vì sản phẩm của đề tài là mô hình máy điện tim ECG nên sau khi viết xong đề tài, thi công cho sản phẩm, nó sẽ được kiểm nghiệm trong thực tiễn

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU CHUNG VỀ ĐIỆN TÂM ĐỒ(ECG)

1.1 Lý thuy ết tim, tín hiệu điện tim và đạo trình

1.1.1 V ị trí, cấu tạo, vai trò và hoạt động của tim

1.1.1.1 V ị trí của tim

Tim của chúng ta nằm trong trung thất, giữa hai lá phổi trên cơ hoành và sau xương ức hơi lệch về bên trái Trục của tim nằm hướng chéo từ sau ra trước, từ phải sang

trái và từ trên xuống dưới

Hình 1: Vị trí của tim trong cơ thể người

1.1.1.2 C ấu tạo của tim

Hình 2: Cấu tạo của tim người

1.1.1.3 Vai trò c ủa tim

Hệ thống tim mạch làm nhiệm vụ vận chuyển máu giàu oxi (𝑂2) từ tim đi khắp cơ thể và lại vận chuyển máu nghèo oxi (𝑂2) từ cơ thể chở về tim Trong đó máu mang các chất dinh dưỡng và khí oxi (𝑂2) hấp thụ được từ các cơ quan tiêu hóa cũng như hô hấp đi tới khắp các cơ quan trong cơ thể, đồng thời qua đó bài tiết chất cặn bã trong cơ thể ra ngoài

 Nút nhĩ thất (AVN): Nằm ở bên phải của vách liên nhĩ cạnh lỗ xoang tĩnh mạch vành Nút tâm nhĩ thất phát xung với nhịp vào khoảng 50 - 60 lần/phút

 Bó His: Đi từ nút tâm nhĩ thất tới vách liên thất thì chia ra làm 2 nhánh phải và trái

Chạy dưới nội mạc tới 2 tâm thất, ở đó chúng phân nhánh thành mạng purkinje

chạy giữa các sợi cơ tim Bó His phát xung với nhịp khoảng 30 - 40 lần/ phút

Khi có xung động truyền đến cơ tim, tim co giãn nhịp nhàng Tim hoạt động co bóp theo một thứ tự nhất định Hoạt động này được lặp đi lặp lại và mỗi vòng được gọi là một chu chuyển của tim

Một chu chuyển của tim bao gồm có 3 giai đoạn:

Hình 4: Một chu chuyển của tim

 Tâm nhĩ thu: Đầu tiên tâm nhĩ co bóp, áp suất trong tâm nhĩ tăng lên làm cho van nhĩ thất mở nên máu sẽ lưu thông từ tâm nhĩ xuống tâm thất và làm cho áp suất tâm thất tăng lên Thời gian tâm nhĩ thu kéo dài 0.1s, sau đó tâm nhĩ giãn suất thời gian còn lại của chu kỳ tim

 Tâm thất thu: Khi tâm nhĩ giãn ra thì tâm thất bắt đầu co lại Giai đoạn tâm thất thu kéo dài 0.3s trong đó bao gồm có 2 thời kỳ:

1 Thời kỳ áp suất kéo dài 0.05s: tâm thất co bóp nên áp suất trong tâm thất tăng cao, cao hơn áp suất trong tâm nhĩ làm cho van nhĩ thất đóng lại nhưng chưa cao hơn áp suất ở trong động mạch nên van bán nguyệt chưa mở làm cho áp suất của tâm thất tăng lên nhanh

2 Thời kỳ đẩy máu kéo dài 0.25s: còn được gọi là thời kỳ tâm thất co đẳng trương Lúc này áp suất trong tâm thất rất cao làm cho van bán nguyệt mở ra và lúc này máu sẽ lưu thông vào động mạch

 Tâm thất trương: Tâm thất bắt đầu giãn trong khi tâm nhĩ đang giãn, khi đó áp suất trong tâm thất thấp hơn áp suất trong mạch, van bán nguyệt đóng lại Áp suất tâm thất giảm nhanh và trở nên nhỏ hơn áp suất tâm nhĩ, van nhĩ thất mở ra khi đó máu được

hút mạnh từ tâm nhĩ xuống tâm thất Đó là giai đoạn tâm thất trương, toàn bộ quá trình kéo dài trong 0.4s

1.1.2 S ự hình thành tín hiệu điện tim (ECG)

1.1.2.1 Điện tâm đồ (Electrocardioghram - ECG)

Điện tâm đồ (Electrocardioghram - ECG) là đường cong biểu diễn hoạt động của mô

cơ tim, người đầu tiên thực hiện ghi tín hiệu ECG là Augustus Waller (British 1856-1922) vào năm 1887 khi ông sử dụng điện kế mao dẫn để đo (trong cách đo sử dụng điện kế mao dẫn, ông đã dùng kỹ thuật chụp phim động trên mặt thủy tinh của ống mao dẫn, trong

đó bên trong của ống mao dẫn có chứa axit Sunphuric và thủy ngân Độ nhạy của điện kế mao dẫn cỡ 1mV)

Chúng ta có hình ảnh của sóng điện tim đầu tiên được Augustus Waller quan sát vào năm 1887 như hình 6 trong đó tín hiệu điện tim (ECG) ghi trên hình e là đường ranh giới giữa 2 vùng đen và trắng Các đường cong khác nhau trên hình h là đỉnh điện tâm đồ, nó ghi lại sự vận động của cơ tim ở đỉnh tim

Hình 5: Hình ảnh sóng điện tim do Augustus Waller quan sát năm 1887

1.1.2.2 Sóng của tín hiệu điện tim

Hình 6: Tạo sóng tín hiệu điện tim (ECG)

Trong đó chúng ta có:

– P là sóng tạo ra do sự co bóp của tâm nhĩ

– R là sóng đánh dấu sự kết thúc của co tâm nhĩ và bắt đầu của tâm thất co

– T là sóng đánh dấu sự kết thúc của tâm thất co

Trong đó biên độ sóng của P, Q, S nhỏ nhất cỡ 0,2 ÷ 0,5mV

– Sóng có biên độ lớn nhất là sóng R, có biên độ vào khoảng 1÷ 1.5mV

– Thời gian tồn tại của sóng đó là:

1.1.3 C ấu trúc cơ bản của máy đo điện tâm đồ(ECG)

Tín hiệu điện tim là tín hiệu có điện áp rất nhỏ (khoảng vài mV) với tần số thấp cỡ

từ 0.05 đến 150Hz

Hình 7: Hình d ạng và thông số của tín hiệu điện tim thông thường

Do vậy máy điện tim phải đáp ứng các yêu cầu như:

 Có trở kháng đầu vào lớn đảm bảo việc phối hợp giữa đầu vào mạch khuếch đại với nguồn tín hiệu để lấy điện áp ra đủ lớn để mạch phân tích, xử lý

 Có độ ổn định cao và lọc nhiễu tốt để ghi nhận trung thực tín hiệu điện tim

 Cách ly giữa bộ phận giao tiếp với bệnh nhân và các thành phần khác của máy.nhằm đảm bảo an toàn tính mạng cho bệnh nhân khi tiến hành chuẩn đoán qua máy ECG

Chúng ta có sơ đồ khối của một máy điện tim cơ bản bao gồm các khối chức năng như sau:

Hình 8: Sơ đồ khối của một thiết bị thu tín hiệu ECG cơ bản

Tần số miền mô tả của một tín hiệu ECG là cần thiết để xác định các tham số của

hệ thống tiền xử lý tuyến tính Một thông tin quan trọng trong thiết kế ECG là băng thông

Tần số trung tâm tỷ lệ cơ bản là 0.50 – 3.0 Hz cho nhịp tim của 30-180 nhịp / phút (bpm) Các tần số cao nhất phụ thuộc vào tình trạng sức khỏe, tuổi tác và giới tính của bệnh nhân, nhưng các giá trị tiêu biểu là khoảng 125 Hz Trong trường hợp điện tâm đồ cho trẻ

sơ sinh, khi đó tần số lên đến 150 Hz Phạm vi bình thường của nhịp tim lúc nghỉ ngơi là

60 đến 100 bpm

Nó được dùng để dò tìm loạn nhịp (như loạn nhịp tim) Giới hạn băng thông làm

hạn chế tần số nhiễu gây ra bởi các cơn co thắt cơ (nhiễu EMG) và nhiễu tần số thấp gây

ra bởi chuyển động của điện cực (những thay đổi cơ bản) Trước tiên ECG phải có khả năng đối phó với các tín hiệu rất yếu khác nhau, từ 1 mV đến 1.5 mV kết hợp với một thành phần DC lên đến 300 mV Hệ quả từ các tiếp xúc điện – da thành phần một cộng

với phương thức chung lên đến 1.5 V là kết quả giữa các điện cực và mặt đất Tín hiệu ECG có thể bị hỏng bởi các loại nhiễu Ta chọn băng thông hữu ích của một tín hiệu ECG

là từ 0.05 Hz đến 150 Hz

Các nguồn chính của nhiễu là:

• Nhiễu bởi các điện cực: sự tiếp xúc giữa các điện cực và da, làm lệch đi tín hiệu chuẩn

• Sự chuyển động: thay đổi hiệu chuẩn gây ra bởi những thay đổi trong da điện trở kháng

• Nhiễu do điện lưới gây ra và có tần số 50Hz

• Co cơ bắp: tín hiệu cơ (electromyogram-type EMG) được tạo ra và trộn với các tín

hiệu ECG

• Hô hấp gây ra trôi dạt trong đường tín hiệu chuẩn

• Nhiễu sóng điện từ từ các thiết bị điện tử khác, với các dây điện cực làm ăng-ten

và cùng nhiễu từ các thiết bị điện tử khác, thường ở tần số cao

Bộ khuếch đại là một trong những phần quan trọng nhất của hệ thống thiết bị đo để đo lường điện áp sinh học Điều này là do đa số, các phép đo liên quan đến tín hiệu rất yếu

với trở kháng nguồn cao Các tín hiệu ECG thường từ 1- 1.5mV Bộ khuếch đại được yêu

cầu phải tăng cường độ của tín hiệu trong khi vẫn không thay đổi các đặc tính của tín

hiệu Do đó mạch khuếch đại phải được thiết kế đặc biệt cho sinh học Bộ khuếch đại phải đáp ứng tiêu chí nhất định trước khi chúng có thể có ích về mặt sinh học Nó phải đáp ứng các tiêu chuẩn sau đây:

 Trở kháng đầu vào cao cung cấp tải trọng tối thiểu của tín hiệu được đo Các đặc tính của một bộ khuếch đại có thể sẽ thay đổi do tải trọng nó thấy, mà có thể gây ra các tín hiệu để làm mất độ trung thực của nó Biến dạng này có thể được giảm thiểu bằng cách trở kháng đầu vào cao

 Các mạch khuếch đại đầu vào phải đảm bảo mức độ bảo vệ cho các bệnh nhân đang được kiểm tra

 Chức năng của mạch khuếch đại đầu ra là lái tải mạch khuếch đại và bộ khuếch đại

cần phải có tổng trở đầu ra rất thấp

 Bộ khuếch đại phải hoạt động trong phổ tần số khi tín hiệu tồn tại Vì vậy phải giới

hạn băng thông, điều này sẽ làm giảm tỷ lệ tín hiệu nhiễu

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MODULE ANALOG

2.1 M ạch khuếch đại vi sai

2.1.1 M ạch khuếch đại chuyên dụng cho ECG

Chúng ta biết tín hiệu điện tim (ECG) là tín hiệu có biên độ rất nhỏ nên việc thu nhận tín hiệu từ đầu vào từ cơ thể của chúng ta đòi hỏi cần phải có các bộ khuếch đại thuật toán có hệ số khuếch đại lớn và trở kháng vào cao nhằm đảm bảo cho quá trình thu nhận tín hiệu một cách chính xác Để đảm bảo được các yêu cầu này thì chúng ta có thể đưa ra một dạng mạch khuếch đại được gọi là bộ khuếch đại đo

Những bộ khuếch đại đo được sử dụng trong những ứng dụng y sinh học bởi vì một số các yếu sau:

• Khả năng đạt được hệ số khuếch đại cao với những giá trị điện trở nhỏ

• Trở kháng đầu vào cao

• Hệ số nén đồng pha cao đối với các tín hiệu ở chế độ mode chung

Thông thường một mạch khuếch đại đo thường sử dụng 3 bộ khuếch đại thuật toán được ký hiệu từ 𝐴1, 𝐴2, 𝐴3 Trong đó 2 bộ khuếch đại đầu vào (tức 𝐴1, 𝐴2) được mắc theo cấu trúc thuận, trong khi đó bộ khuếch đại thứ 3 được mắc theo kiểu khuếch đại vi sai

Để đơn giản hóa quá trình phân tích mạch chúng ta đặt hệ số khuếch đại của 𝐴3 là

Op-amp 𝐴3 có RQ = RP= RE = RD = RA = RC = R thì điện áp xuất hiện tại ngõ

Vấn đề nảy sinh với mạch lọc thụ động RLC là ở đầu thấp của dải tần thấp Các trị

số điện cảm tăng khi mà tần số cần thiết giảm gây ra các vấn đề nghiêm trọng như:

• Cuộn cảm là linh kiện không hoàn hảo do có độ hao bên trong và độ hao đó lại tăng rõ rệt ở khoảng điện cảm rất lớn cần cho tần số thấp Những độ hao

lớn đó làm giảm đáng kể hệ số phẩm chất (Q) đối với mổi cuộn dây và đáp tuyến lọc có liên quan bị lệch đi nhiều so với dạng cần thiết của chúng ta

• Kích thước vật lý thực của những trị số điện cảm lớn làm hạn chế ích lợi của chúng

• Giá thành của những cuộn cảm như thế chắc chắn không rẻ

Bộ lọc tích cực bao gồm tổ hợp điện trở, điện dung và một hoặc nhiều linh kiện tích cực (như opamp …) sử dụng hồi tiếp Về mặt lý thuyết thì những mạch lọc tích cực có khả năng đạt được đáp tuyến tương tự như với mạch lọc RLC thụ động Do không cần tới điện cảm nên những khó khăn liên quan tới chúng ở tần số thấp như vậy được loại bỏ Các mạch lọc tích cực RC hoạt động ở tần số của bộ lọc tích cực tiến rất sát tới dạng lý tưởng

Mặc dù có một số hạn chế song việc sử dụng bộ lọc tích cực vẫn phát triển và hiện nay chúng đóng vai trò quan trọng trong công nghệ lọc Mạch lọc tích cực hơn hẵn mạch lọc thụ động trong phần lớn áp dụng tần số thấp và rất thấp Có dải tần trong đó có thể sử dụng tốt hoặc mạch lọc thụ động hoặc mạch lọc tích cực tùy thuộc vào các ràng buộc thiết

kế khác nhau

Có 4 dạng mạch lọc tích cực cơ bản: mạch lọc thông thấp, mạch lọc thông cao, mạch lọc thông dải và mạch lọc dải triệt Mạch lọc thường được thường được sử dụng trong mạch lọc tích cực đó là mạch lọc Butterworth Mạch lọc này có đặc điểm là có độ lợi bằng hằng số trong băng tầng hoạt động của mạch, mạch có tầng số đáp ứng phẳng tốt nhất

Hình 10 : Mạch lọc thông thấp Butterworth bậc 4(f c =150Hz)

Hình 11 : Đáp ứng tần số của mạch tại f c =150Hz

2.2.2 Thi ết kế mạch lọc thông cao (f c =0.05Hz)

Thiết kế bộ lọc thông cao bậc 2 Butterworth tại fc =0.05hz

Hệ số của mạch: a1 = 1, 4142 và b1= 1

Hình 12 : Mạch lọc thông cao cơ bản

Tiến hành tính toán các giá trị điện trở R1,2 và tụ C để được mạch hoàn chỉnh Chọn giá trị tụ: C=47uF và dựa vào công thức

1

1 1 2

f Cb

π π

Hình 16 : Bộ lọc Twin-T tích cực

2.2.3.2 Thi ết kế mạch lọc triệt dải f c =50Hz dùng b ộ lọc Twin-T

Vấn đề được đặt ra là tính được giá trị của C, R, R1,2

Chọn C= 47 nF => R= 68K

Để tính G chọn R1= 200K, R2=180K :

Vậy ta có được bộ lọc chắn dải fc = 50Hz như sau:

Hình 17 : Mạch lọc triệt dải 50Hz dùng bộ lọc Twin-T

Hình 18 : Đáp ứng tân số của mạch tại f c =50hz

2.3 M ạch dịch điện áp

Đầu ra Vout đưa tới bộ ADC của PIC 16F877A

Điện áp ADC của PIC 16F877A lấy mẫu trong khoảng từ (0v→ 5v) , ta chọn 10bit lấy mẫu , 10bit = 1024 bước => 1 bước tương ứng khoảng 4,88mV

Do tín hiệu điện tim là tín hiệu xoay chiều , có cả phần âm và phần dương trong khi đó ADC không lấy mẫu được tín hiệu âm nên ta cần phải dịch mức điện áp , chọn mức điện áp lý thuyết cần dịch là 2,5V

Tương ứng : V OUT trong khoảng (0, 4V→ 4, 4V)

Ta thấy mức điện áp V outtrong khoảng (0, 4V→ 4, 4V)vẫn nằm trong mức điện áp ADC của PIC 16F877A lấy mẫu

2.4 M ạch DRL

Trong quá trình đo điện tim, tồn tại một điện áp Vc giữa điểm trung tính trên cơ thể người và điểm trung tính trên mạch đo Điều này dẫn đến việc tín hiệu điện tim thu được bị lệch khỏi đường cơ sở Để tránh hiện tượng trôi điểm không trong quá trình đo điện tim người ta thường dùng một mạch điều khiển chân phải (nối với một điện cực gắn

vào chân phải) để nhằm mục đích giảm điện áp chênh lệch Vc Tuy nhiên nếu không đảm bảo được sự cách ly với điện kháng đủ lớn dòng điện chạy qua điện cực này có thể gây nguy hiểm tới người sử dụng

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MODULE DIGITAL

3.1 Module Digital

Tín hiệu thu được từ điện cực khi qua module Analog được triệt nhiễu và khuếch đại lên 1206 lần đưa đến bộ ADC của PIC 16F877A, qua đây tín hiệu được chuyển sang dạng Digital Mặt khác module Digital được kết nối với máy tính thông qua cổng com chuẩn RS232 Module Digital đóng vai trò quan trọng không thua kém module Analog nên ta cần thiết module Digital một cách khoa học và chính xác

Nguồn cấp cho module Digital hoạt động là nguồn 5v được lấy từ bộ adapter, trong mạch Digital thì PIC 16F877A đóng vai trò quan trọng nhất

3.2 T ổng quan về PIC 16F877A

Cấu trúc tổng quát của PIC 16F877A như sau:

– 8 K Flash ROM

– 368 Bytes RAM

– 256 Bytes EEPROM

– 5 ports (A, B, C, D, E) vào ra với tín hiệu điều khiển độc lập

– 2 bộ định thời 8 bits (Timer 0 và Timer 2)

– Một bộ định thời 16 bits (Timer 1) có thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm năng lượng (SLEEP MODE) với nguồn xung Clock ngoài

– 2 bô CCP( Capture / Compare/ PWM)

– 1 bộ biến đổi AD 10 bits, 8 ngõ vào

– 2 bộ so sánh tương tự (Compartor)

– 1 bộ định thời giám sát (WatchDog Timer)

– Một cổng song song 8 bits với các tín hiệu điều khiển

3.2.1 Các cổng ra vào của PIC 16F877A

 PORT A

PORT A (RPA) bao gồm 6 I/O pin Các chân này là chân 2 chiều ( bidirectional

pin) Chức năng I/O này được điều khiển bởi thanh ghi TRISA( địa chỉ 85h)

PORT A còn là ngõ ra của bộ ADC, bộ so sánh, ngõ vào ANALOG, ngõ vào

xung clock của Time0 và ngõ vào của bộ giao tiếp MSSP (Master Synchronous

Serial Port)

 PORT B

PORT B (RPB) gồm 8 I/O pin Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISB PORT B còn được sử dụng trong quá trình nạp quá trình nạp chương trình cho vi

điều khiển với các chế độ nạp khác nhau PORT B còn liên quan đến ngắt ngoại

vi và bộ Timer0 PORT B còn được tích hợp chức năng điện trờ kéo lên được

điều khiển bởi chương trình

+ Có thể dung đòng hồ trong hoặc ngoài

+ Có thể chọn cạnh xung của xung đồng hồ

+ Có hệ số chia cho xung đầu vào và có thể lập trình lại bằng phần mềm

+ Ngắt tràn

 Timer 1

Timer 1 có thể là bộ đếm hoặc là bộ định thời:

+ 16bit :gồm 2 thanh ghi TMR1H ,TMR1H

+ Có khả năng đọc và viết

+ Có thể chọ xung đồng hồ trong hoặc ngoài

+ Có thể ngắt khi tràn

Timer 1 có 1 thanh ghi điều khiển là T1CON Bộ Timer 1 có hoạt độnghay

không là do việc đặt hay xóa bít TMR1ON(T1CON<0>)

 Timer 2

Bộ Timer 2 có các dặc tính:

+ 8 bit cho bộ định thời (thanh ghi TMR2)

+ 8 bit cho vòng lặp (thanh ghi PR2)

+ Có khả năng đọc và viết

+ Có khả năng lập trình bang phần mềm tỷ lệ trước

+ Có khả năng lập trình bang phần mềm tỷ lệ sau

Chế độ SSP dung đầu ra của TMR2 để tạo xung clock Timer 2 có thanh ghiđiều

khiển là T2CON Timer 2 có thể tắt bằng việc xóa bit TMR2CON của thanh ghi

T2CON

3.3 Kh ối chuyển đổi ADC

Khối chuyển đổi ADC 8 kênh, mỗi kênh 10-bit

Hình 24 : Sơ đồ khối của bộ ADC

PortA ( AN0-AN4 )

PortE ( AN5-AN7 )

RA2 và RA3 dùng để chọn điện áp tham chiếu bên ngoài, mặc định là Vdd

Để ADC hoạt động các I/O phải được set là ngõ vào ( TRIS X=1)