Thiết kế thiết bị đo điện tim mini

Thiết kế thiết bị đo điện tim mini

LỜI GIỚI THIỆU

Trong cuộc sống hiện tại, nhu cầu kiểm tra sức khỏe định kỳ của mỗi người ngàycàng được nâng cao Với sự phát triển của khoa học công nghệ cùng với sự phát triểntrong lãnh vực điện tử giúp con người có khả năng tạo ra được những sáng kiến, sảnphẩm phục vụ cho lợi ích của con người một cách thuận tiện hơn

Sinh viên ngành Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp được trang bị nhiều kiếnthức chuyên ngành về điện, điện tử Với đồ án môn học “Thiết bị đo lường” nhóm đitới ý tưởng thiết kế một thiết bị đo điện tim với thiết kế nhỏ gọn có khả năng di độngvới ứng dụng của công nghệ vi xử lý thay cho các kết cấu thanh ghi, băng giấy…cồng kềnh của các thiết bị đo điện tim cổ điển Được sự hướng dẫn tận tình của thầyNguyễn Anh Tuấn, nhóm đồ án xin được lựa chọn đề tài:

“THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TIM MINI”

Do thời gian ngắn và kinh nghiệm thực tế chưa được nhiều nên đề tài không tránhkhỏi sự giản đơn và các khiếm khuyết Mong được thầy tiếp tục chỉ dẫn và góp ý đểnhóm có thể đi tới kết quả cuối cùng là thiết kế ra được thiết bị đo điện tim mini cóthể ứng dụng rộng rãi trên thị trường

Qua đây, một lần nữa xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô đã góp

ý, giải đáp thắc mắc cho nhóm và đặc biệt là sự hướng dẫn chi tiết, tận tình của thầyNguyễn Anh Tuấn đã giúp cho nhóm hiểu ra được thêm rất nhiều điều phục vụ choquá trình học tập, làm việc sau này

Quá trình thực hiện đề tài theo sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Anh Tuấn nhóm

đã tiến hành phân công và thực hiện công việc chính như sau:

NGUYỄN BÁ BIỀN - Thiết kế và thi công mạch cứng

- Hỗ trợ phần cơ sở dữ liệu trên giao diện máy tính

ĐỖ THANH HẢI - Lập trình phần mềm trên vi xử lý

CHU MINH HUẤN - Thiết kế và lập trình phần giao diện Visual Basic

Hà Nội, tháng 7 năm 2009

Nhóm thực hiện

MỤC LỤC

LỜI GIỚI THIỆU 1

MỤC LỤC 2

Danh mục hình vẽ: 4

Danh mục từ viết tắt: 4

1 Tổng quan đề tài thiết kế thiết bị đo điện tim mini 5

2 Thiết kế mạch đầu vào thu thập tín hiệu điện tim 5

2.1 Sơ lược về tín hiệu điện tim 5

2.2 Điện cực và cáp bọc kim chống nhiễu 6

2.3 Mạch khuếch đại Vi sai 6

2.4 Mạch điều khiển chân phải 7

2.5 Mạch lọc thông cao 8

2.6 Mạch lọc thông thấp 8

2.7 Mạch khuếch đại lặp 9

3 Thiết kế bộ nguồn cho mạch đo và mạch điều khiển 10

3.1 Tính toán thiết kế nguồn +/-9V cho khuếch đại thuật toán 10

3.2 Thiết kế nguồn 5V cho vi điều khiển và các modul khác trên mạch 11

4 Sử dụng vi điều khiển để lấy mẫu và xử lý tín hiệu điện tim 12

4.1 Tổng quan về phần cứng vi xử lý 12

4.2 Lập trình phần mềm 12

5 Kết nối mạch với máy tính, thiết kế giao diện chức năng trên máy tính 14

5.1 Giao diện của chương trình được viết trên Visual Basic 6.0 14

Yêu cầu đối với phần giao diện trên máy tính 14

Thực hiện cài đặt các thông số kết nối với mạch cứng theo chuẩn truyền tin RS232 14

Thực hiện việc vẽ lại đồ thị điện tim từ các giá trị đo được của mạch cứng 14

Thực hiện việc lưu trữ thông tin đo vào cơ sở dữ liệu trên máy tính 14

Các chức năng của chương trình 14

5.2 Lưu trữ các số liệu 16

Phần mềm trên máy tính quản lý dữ liệu liên quan bằng thư viện DAO (Data Access Objects) Các thông tin cần thiết về người đo điện tim được lưu lại như là: Họ và tên, mã lưu trữ, ngày đo, chú thích… được phần mềm lưu lại trên một file mdb (định dạng file dữ liệu của Microsoft Access) nằm trong thư mục chứa chương trình Ngoài ra một điều rất quan trọng chính là các dữ liệu về tín hiệu điện tim cũng được phần mềm thực hiện lưu lại trên các file *.ECG với tên file chính là mã lưu trữ Việc tạo ra file từ những

dữ liệu nhận được từ mạch đo được thực hiện bằng việc sử dụng mô hình FSO (File System Object) Những file này được lưu trữ trong thư mục data nằm cùng với file chạy phần mềm Dữ liệu từ các file này

dễ dàng được truy xuất và tiến hành vẽ lại đồ thị điện tim đo được sau khi có yêu cầu (nhấn vào nút XEM

trên cửa sổ quản lý dữ liệu) 17

5.3 Thực hiện mô phỏng phần mềm và nhận xét 17

Thực hiện mô phỏng phần mềm 17

Đánh giá nhận xét về phần mềm 18

6 Kết luận và một số kết quả của mạch đo điện tim 18

Tổng hợp một số tài liệu đã tham khảo: 21

Danh mục hình vẽ:

Hình 2.1: Hình dạng và thông số của tín hiệu điện tim thông thường

Hình 2.3: Mạch điều khiển chân phải

Hình 2.2: Sơ đồ khuếch đại vi sai sử dụng AD620 và mạch điều khiển chân phải Hình 2.1: Hình dạng và thông số của tín hiệu điện tim thông thường

Hình 2.4: Sơ đồ mạch lọc thông cao

Hình 2.5: Sơ đồ mạch lọc thông thấp

Hình 2.6: Sơ đồ thiết kế mạch khuếch đại lặp

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn

Hình 3.2: Hình dạng của điện áp ra sau cầu diode

Hình 5.1: Đồ thị điện tim mẫu vẽ bằng Teechart

Hình 5.2: Điện áp đo được sau khi trừ offset

Hình 5.3: Form lưu trữ và quản lý thông tin

Hình 5.4: Sơ đồ mô hình mô phỏng trên Proteus

Hình 6.1: Kết quả test phần cứng với LCD và phím bấm

Hình 6.2: Phân áp điện áp xoay chiều 12V để lấy điện áp 1.2mV

Hình 6.3: Tín hiệu hình sin qua bộ khuếch đại và lọc (đã được bù offset)

Danh mục từ viết tắt:

1 Tổng quan đề tài thiết kế thiết bị đo điện tim mini

Thiết kế mạch đo điện tim với khả năng đo đường chuyển đạo chính LA-RA:

− Sử dụng 3 điện cực gắn ở tay trái, tay phải và chân phải để đo đường chuyểnđạo LA-RA của tín hiệu điện tim Có kết hợp mạch điều khiển chân phải(DRL)

− Thiết bị có khả năng đưa ra được các thông số về tín hiệu điện tim như:

o Tần số nhịp đập

o Ngưỡng điện áp cao nhất, thấp nhất, các khoảng thời gian của các sóng

P, S, R

o Nhận dạng một số trường hợp cơ bản về sự bất thường của điện tim

− Khối vi điều khiển đảm nhiệm chức năng thu thập tín hiệu điện tim, có mànhình LCD hiển thị thông số điện tim và giao diện nút chọn lựa chức năng

− Thiết bị có giao tiếp với máy tính để truyền tín hiệu điện tim về máy tính phục

vụ hiển thị, lưu trữ, chẩn đoán…

2 Thiết kế mạch đầu vào thu thập tín hiệu điện tim

2.1 Sơ lược về tín hiệu điện tim

Tín hiệu điện tim (đối với đạo trình Tay trái – Tay phải) có hình dạng chuẩn nhưhình vẽ sau:

Hình 2.1: Hình dạng và thông số của tín hiệu điện tim thông thường

Giá trị biên độ lớn nhất thuộc về sóng R (1.2-1.5mV) do đó để đưa về điện ápchuẩn qua ADC xử lý cần khuếch đại tín hiệu lên khoảng 1000-2000 lần Chu kỳcủa tín hiệu điện tim nằm trong khoảng 60-300BPM (tương ứng 1-5Hz), tuy nhiên

dải tần cần quan tâm để xử lý tín hiệu điện tim là khoảng từ 0.1Hz-150Hz (theo quyước thông dụng trong việc thu thập xử lý tín hiệu điện tim).

2.2 Điện cực và cáp bọc kim chống nhiễu

Do tín hiệu điện tim rất nhỏ (cỡ milivolt) nên nó rất dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu

tố nhiễu từ bên ngoài như điện từ trường, nhiệt độ do đó việc sử dụng dây nào để nốiđiện cực đo với mạch đo là một yếu tố quan trọng Trong đề tài này cáp đồng mềmmột lõi vỏ PVC có bọc kim được sử dụng để loại trừ các ảnh hưởng của điện từtrường ngoài tới tín hiệu điện tim khi nó truyền trên dây dẫn

Điện cực điện tim được lựa chọn là điện cực dán chủng loại MEDI-TRACE 210của hãng KENDALL Đây là loại điện cực sử dụng một lần với cấu tạo Ag/AgCl(đầu kim loại làm từ bạc và lớp tiếp giáp với da được làm từ một loại keo hỗn hợpdẫn điện với thành phần chứa AgCl)

2.3 Mạch khuếch đại Vi sai

Hình 2.2: Sơ đồ khuếch đại vi sai sử dụng AD620

và mạch điều khiển chân phải

AD620 là IC khuếch đại vi sai cho chất lượng cao Với khả năng dễ dàng điềuchỉnh hệ số khuếch đại từ 1 cho tới 1000 bằng cách thay đổi giá trị điện trở khuếchđại đặt vào giữa của hai phần tử khuếch đại thuật toán nằm bên trong IC (được nối

ra ngoài qua chân 2 và chân 8) Dòng bias đầu vào tối đa là 1nA, đặc tính khuếchđại ít phụ thuộc vào nhiệt độ (điện áp offset tối đa 0.6µV/ºC) Hệ số khuếch đại củaAD620 được tính bằng công thức:

1

1

G G

Với sự lựa chọn RG = 3.3KΩ ta có hệ số khuếch đại qua AD620 là:

6 94 5 1 10

4 49

G

2.4 Mạch điều khiển chân phải

Trong quá trình đo điện tim, tồn tại một điện áp Vc giữa điểm trung tính trên cơthể người và điểm trung tính trên mạch đo Điều này dẫn đến việc tín hiệu điện timthu được bị lệch khỏi đường cơ sở Để tránh hiện tượng trôi điểm không trong quátrình đo điện tim người ta thường dùng một mạch điều khiển chân phải (nối với mộtđiện cực gắn vào chân phải) để nhằm mục đích giảm điện áp chênh lệch Vc Tuynhiên nếu không đảm bảo được sự cách ly với điện kháng đủ lớn dòng điện chạyqua điện cực này có thể gây nguy hiểm tới người sử dụng

Hình 2.3: Mạch điều khiển chân phải

Quan sát trên hình 2.3 ta thấy được điện thế giữa trung tính của mạch đo (Vo) vàtrung tính của người (Vc) của khuếch đại U1 (OP07) có quan hệ như sau:

P

P do đó để giảm đượcđiện áp chênh lệch Vc ta phải chọn lựa R1,R2,R3,R4 sao cho với id cho trước thì Vcphải nhỏ hơn mức quy định

Theo tiêu chuẩn điện tim quy ước quốc tế dòng id thường ở mức nhỏ hơn 20µA(với dòng >5mA trong khoảng thời gian 200mS có thể gây sốc cho tim) Với nhữnggiá trị điện trở lựa chọn trên hình vẽ ta tính được: v C ≤ 47 µV Khi đó chỉ cần bù sai

lệch tĩnh tương ứng với 47 Vµ (hoặc bỏ qua nếu không cần thiết) thì tín hiệu điện tim

thu được sẽ tránh được hiện tượng trôi điểm không khi đo Tụ điện C1 mắc nối tiếpvới R5 nhằm mục đích lọc nhiễu cao tần khi chạy qua mạch điều khiển chân phải

Mạch khuếch đại lựa chọn trong trường hợp này là mạch khuếch đại vi sai đơngiản Sử dụng khuếch đại thuật toán OP07 cho chất lượng đáp ứng rất tốt.

Hình 2.6: Sơ đồ thiết kế mạch khuếch đại lặp

Sơ đồ này là sơ đồ mạch khuếch đại vi sai hai tín hiệu vào Với các thông số linhkiện lựa chọn trên hình vẽ thì điện áp tại ECG_OUT được tính theo công thức:

2 / ) 2 _ 5

( 0

2 _ 15

16 5 2 1

2 )

15

16 1 ( 0

adc s Vecg V

adc s Vecg R

R R

R

R R

R V

−

=

− + + +

(

5

.

0 × −Vecg adc Với tín hiệu điện tim dao động trong khoảng ±1.5mV thì biên

độ tín hiệu dao động trong khoảng từ 1.18 V đến 3.81V

3 Thiết kế bộ nguồn cho mạch đo và mạch điều khiển

3.1 Tính toán thiết kế nguồn +/-9V cho khuếch đại thuật toán

Để đảm bảo được sự hoạt động chính xác cho các IC khuếch đại thuật toán thìviệc cách ly nguồn cung cấp cho nó khỏi các thiết bị khác là cực kỳ quan trọng Vì

lý do đó phải thiết kế mạch nguồn riêng cấp cho các IC khuếch đại thuật toán trongmạch

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn

Nguồn được lấy từ điện áp 220VAC/50Hz Sau khi đưa qua biến áp lấy đượcgiá trị điện áp +15VAC/-15VAC(50Hz), giá trị này là giá trị hiệu dụng của tín hiệu.Giá trị đỉnh của điện áp này sau chỉnh lưu cầu đi-ốt là VP = 15 2 2 0.7 19.8V− × =(trong đó 0.7 là độ sụt áp qua mỗi đi-ốt của cầu)

Do mạch nguồn chỉ cung cấp cho 5 IC khuếch đại thuật toán trên mạch nêndòng yêu cầu là không lớn Ta thiết kế mạch nguồn có thể cung cấp điện áp +/-9Vvới dòng điện tối đa là 200mA

Cấu tạo của IC ổn áp họ 78xx và 79xx chỉ hoạt động khi điện áp đầu vào lớnhơn điện áp đầu ra từ 1,6V trở lên Công thức tính giá trị tụ bù để san phẳng hìnhdạng điện áp sau cầu diode như sau:

0.2 0.01

400.10 5

⇒ = = Trên thực tế ta lựa chọn tụ điện 470µF/50V Khi đó

điện áp VRIPPLE =4.26V Mức điện áp đầu vào IC ổn áp là (15.54V÷19.8V) thoả mãnđiều kiện hoạt động của IC ổn áp

Hình 3.2: Hình dạng của điện áp ra sau cầu diode

Để loại trừ nhiễu nguồn (tần số 50Hz và các hài bậc cao) ta sử dụng tụ Cf=47µFmắc vào mạch phía sau IC ổn áp Tụ C có tác dụng dẫn toàn bộ tín hiệu nhiễu xoaychiều đi qua giữ lại thành phần một chiều để cung cấp tới các linh kiện khác trênmạch

3.2 Thiết kế nguồn 5V cho vi điều khiển và các modul khác trên mạch

Nhằm tạo sự cách ly, tránh ảnh hưởng của các phần tử khác trên mạch tới phầnkhuếch đại tín hiệu, mạch nguồn 5V thiết kế cấp nguồn cho vi xử lý và các thiết bịngoại vi khác được tách khỏi nguồn +/-9V như hình vẽ 3.1

4 Sử dụng vi điều khiển để lấy mẫu và xử lý tín hiệu điện tim

Để đi đến sản phẩm hoàn chỉnh thì vấn đề đặt ra ở đây là thiết bị đạt được nhiềuyêu cầu về chất lượng cũng như về độ tiện dụng Pic 16F877A có kích thước tươngđối lớn không phù hợp với thiết bị nhỏ gọn, hướng phát triển để đi đến sản phẩm là

sẽ thay chip pic bằng chip dán như PSOC, atmega128

4.1.2 Hiển thị thời gian:

DS1307 là IC đồng hồ thời gian thực đếm thời gian, có tác dụng truyền tín hiệucho vi điều khiển xử lý để hiển thị thời gian.Và DS1307 sẽ được nối với thạch anhtần số 32.768kHz để tạo tín hiệu

4.1.3 Giao tiếp với máy tính

Cổng Com của máy tính theo chuẩn RS232 ( mức 1 có điện áp -3V tới -25V vàmức 0 có điện áp 3V tới 25V) nên cần sử dụng IC MAX232 để đồng bộ tín hiệu giữagiao tiếp UART và chuẩn RS232

4.1.4 Bàn phím 4 phím

Được kết nối với Vi xử lý qua IC74LS148 được xử lý bằng phương pháp quétphím 74LS148 là IC giải mã 8 đầu vào 3 đầu ra có báo ngắt khi đầu vào thay đổi.4.1.5 LCD

Lựa chọn LCD DM1602A(16x2) để hiển thị Và do yêu cầu về số chân điềukhiển nên LCD sẽ được lập trình theo kiểu 4bits data

4.2 Lập trình phần mềm

Để thuận tiện cho việc kiểm tra, nhóm đã thiết kế chương trình hiển thị cácmodul điều khiển qua LCD , và thông qua bàn phím ta chọn các chế độ điều khiển

Giao diện chính hiển thị trên LCD:

0.Menu

0.1: SENSOR

0.2: Time

0.3: COM-PC

0.1.1: Hiển thị giá trị sensor

0.2.1: Hiển thị Time (Trên LCD)

0.3.1: Chương trình kết nối với PC

Thực hiện ý tưởng trên nhóm sử dụng vi xử lý 16F877A và sử dụng ngôn ngữlập trình C trong môi trường CCS.Trong môi trường CCS đã hộ trợ một số hàmchuẩn: Delay,Read_ADC(mode),SPI_Write,SPI_Read,I2C_Write… và một số lệnhthông dụng khác (xem thêm ở phụ lục)

Để chạy chương trình trên pic ta dùng 4 phím bấm trên mạch Gọi tên các phímbấm là Enter, esc, up, down Dùng 4 phím này để lựa chọn các chế độ chạy của pic,chế độ chạy này sẽ được hiển thị tương ứng ở LCD Bố cục chương trình của pic: lớpngoài cùng là menu, lớp con của menu tương ứng là các lớp : quy trình , time,buffer Công việc của các lớp:

Kịch bản chạy phần mềm:

- Init các chương trình con cần thiết

- Nhận lệnh điều khiển đọc điện tim từ máy tính hoặc nhấn nút để bắt đầu quátrình đo điện tim

- Tính toán thời gian thực hiện lệnh phù hợp với tần số lấy mẫu cần thiết của tínhiệu đo

“Time”: hiển thị thời gian lên LCD

“Buffer” : Phần để dự phòng , dùng để chạy thử các tính năng bổ sung

Một số void chính của chương trình:

1 Chương trình menu cho LCD: void menu()

Mục đích: Hiển thị toàn bộ menu trên LCD

3 Modul bàn phím : nội hàm

Scan_key();

Mục đích: quét xem phím nào được bấm trả lại giá trị tương ứng về hàm

4 Modul RTC

Void RTC();

Mục đích: đọc giá trị trên DS1307 ,lưu giá trị giờ vào biến RTC_hour,

giá trị phút vào biến RTC_Min

5 Kết nối mạch với máy tính, thiết kế giao diện chức năng trên máy tính

5.1 Giao diện của chương trình được viết trên Visual Basic 6.0

Yêu cầu đối với phần giao diện trên máy tính

 Thực hiện cài đặt các thông số kết nối với mạch cứng theo chuẩn truyền tin RS232

 Thực hiện việc vẽ lại đồ thị điện tim từ các giá trị đo được của mạch cứng

 Thực hiện việc lưu trữ thông tin đo vào cơ sở dữ liệu trên máy tính

Các chức năng của chương trình.

Để thực hiện các yêu cầu đề ra thì Visual Basic là một lựa chọn hợp lý Trên nềnVisual Basic có rất nhiều các công cụ hỗ trợ thực hiện các yêu cầu chính như đã đề

ra ở trên Để thực hiện giao tiếp với mạch cứng theo chuẩn RS232 ta sử dụng thưviện giao tiếp RS232 – MSCOMM32.OCX của Microsoft Việc vẽ đồ thị điện timlên giao diện sử dụng thư viện Teechart vì nó cung cấp hầu hết các dạng đồ thị biểu

đồ cả 2D và 3D với đồ họa khá đẹp, lựa chọn bằng cách kéo-thả cực kỳ trực quan.Bên cạnh đó là các hỗ trợ cực kỳ chi tiết, người dung có thể tác động và bất kỳthông số nào của hình bằng cả các cài đặt cứng ( đặt trực tiếp trên cửa sổ Editing)hoặc cài đặt mềm (thao tác trên phần lập trình)…

• Cổng nối tiếp có khả năng tùy chọn từ COM 1 đến COM 8 (thường trên máytính chỉ có COM1 là cổng vật lý)

• Tốc độ truyền có thể được lựa chọn nhiều mức khác nhau từ 2400bps tới115200bps Tùy theo vào khoảng cách và điều kiện truyền mà ta chọn tốc độ caothấp khác nhau

• Về khung truyền dữ liệu giữa PC và VDK được mặc định là chuẩn truyền11bits (1bit Start, 8bits data, 1bit Stop, 1 bit Priority) Kiểm tra lỗi kiểu chẵn lẻ

• Phần mềm cho phép lựa chọn thiết lập bắt tay với mạch cứng (Handshaking)với các loại: RTS/CTS, XON/XOFF, BOTH RTS/XONXOFF và NONE

• Hình ảnh của sóng điện tim được thể hiện theo dạng trục tọa độ A=f(t)

Với: A là biên độ của sóng điện tim đo bằng mV, t là lần lấy mẫu