Thiết kế và thi công máy đo điện tâm đồ ECG

Vào thời đại công nghiệp hóa hiện nay, môi trường, thực phẩm bị ô nhiễm, đời sốngcon người vội vã, tấp nập, các thói quen không lành mạnh ngày càng ăn sâu vào tiềm thức,nếp sống của con người hiện đại, tất cả những điều đó khiến cho sức khỏe của con ngườiđáng báo động hơn bao giờ hết. Đặc biêt là các bệnh về tim mạch ngày càng xuất hiệnnhiều và có xu hướng trẻ hóa, việc ngăn chặn và phòng ngừa các vấn đề về tim mạch làhết sức cần thiết.Với sự phát triển của khoa học công nghệ vào thời điểm hiện tại thì việc theo dõi sứckhỏe cá nhân hằng ngày bằng thiết bị công nghệ là điều không còn xa vời với chúng ta.IoT cũng dần được áp dụng rộng rãi vào đời sống, để theo dõi, giám sát những đối tượngmong muốn thông qua Internet toàn cầu.Đề tài của nhóm đã áp dụng tất cả các kiến thức đã học về điện tử cơ bản, điện tửsố, vi điều khiển, ... để hiện thực hóa một thiết bị công nghệ cho phép chúng ta theo dõisự hoạt động của tim, mạch một cách đơn giản và gần gũi nhất. Sử dụng dòng vi điều khiển32bit STM32F4 để tính toán xử lý tín hiệu, LCD 7inch cho phép hiển thị kết quả rõ nét vàchi tiết nhất, kết hợp với hệ thống webserver trên Esp8266 giúp việc theo dõi từ xa cực kìđơn giản.Tất cả những điều đó sẽ tạo nên một thiết bị công nghệ có tính ứng dụng thực tế trongcuộc sống hằng ngày, giúp ích rất nhiều cho con người, nâng cao chất lượng cuộc sốnghiện đại.

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

-

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY ĐO ĐIỆN

TÂM ĐỒ ECG

GVHD: ThS Võ Đức Dũng SVTH: Võ Văn Hào 15141144

Nguyễn Thành Tài 15141272

Tp Hồ Chí Minh – 08/2020

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Nguyễn Thành Tài 15141272

Tp Hồ Chí Minh – 08/2020

TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử Mã ngành: 01

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY ĐO ĐIỆN TÂM ĐỒ ECG

II NHIỆM VỤ

1 Các số liệu ban đầu:

- Nguyễn Đình Phú, “Giáo trình vi xử lý ”, NXB ĐH Quốc Gia Tp.HCM, 2014

- Nguyễn Hữu Phương, “Xử lí tín hiệu số”, NXB ĐH Quốc Gia Tp.HCM, 2015

- Khoa Y,“ Kĩ thuật đo và phân tích điện tâm đồ bình thường”, NXB ĐH Quốc Gia Tp.HCM, 2015

- Nguyễn Thanh Tâm, Võ Đức Dũng, “Thiết kế mạch điện tử y sinh”, Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM

2 Nội dung thực hiện:

- Lên ý tưởng đồ án

- Tìm hiểu về linh kiện sử dụng

- Thiết kế và thi công khối điều khiển trung tâm, khối mạch ECG, cảm biến và khối nguồn

- Vẽ lưu đồ giải thuật

- Thiết kế và thi công Webserver trên Esp8266

- Lắp ráp các khối vào mô hình

- Chạy thử nghiệm hệ thống

- Cân chỉnh hệ thống

- Viết luận văn

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 07/03/2020

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/08/2020

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS Võ Đức Dũng

Tên đề tài: Thiết kế và thi công máy đo điện tâm đồ ECG

(11/5 – 17/5)

Thiết kế PCB và thi công phần cứng

Tuần 8

(18/5 – 24/5)

Đo lường và cân chỉnh lại mạch ECG, lập trình

cho MCU, Esp8266 Tuần 9

(25/5 – 31/5)

Hoàn thiện phần cứng Tuần 10

Nhóm sinh viên Võ Văn Hào và Nguyễn Thành Tài xin cam đoan đây là đồ án

do nhóm tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy Võ Đức Dũng Nhóm chỉ tham khảo các tài liệu trước đó và các nghiên cứu trên mạng online Kết quả công bố trong khóa luận tốt nghiệp là trung thực không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó

Nhóm thực hiện đồ án xin được gửi lời cảm ơn đặc biệt đến giảng viên hướng dẫn thầy Võ Đức Dũng vì đã giúp đỡ nhóm trong quá trình thực hiện đồ án, người đã đưa ra hướng nghiên cứu, giải đáp thắc mắc, cũng như tận tình quan sát nhóm làm việc Trong quá trình thực hiện nhóm đã tiếp thu được những kiến thức thực tế và cách làm việc nghiêm túc, hiệu quả từ thầy

Nhóm em xin gửi lời tri ân chân thành nhất đến các quý thầy cô trong khoa Điện - Điện tử đã hỗ trợ chúng em về những kiến thức nền tảng vững vàng, tạo điều kiện tốt nhất cho sinh viên trong quá trình học tập và nghiên cứu

Sự hỗ trợ thầm lặng và vô cùng quan trọng từ gia đình và bạn bè luôn là động lực để nhóm có thể làm việc hết khả năng và hoàn thành đồ án một cách tốt nhất

Một lần nữa nhóm vô cùng hân hạnh khi được làm sinh viên tại trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, là học trò của những giảng viên đầy tâm huyết, lời cảm ơn này cũng là sự ghi nhận sâu sắc mà nhóm muốn gửi đến thầy cô, gia đình và bạn bè

TRANG BÌA i

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iv

LỜI CAM ĐOAN vi

LỜI CẢM ƠN vii

MỤC LỤC viii

LIỆT KÊ HÌNH ẢNH x

LIỆT KÊ BẢNG xii

TÓM TẮT xiii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1.ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2.MỤC TIÊU 1

1.3.NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1

1.4.GIỚI HẠN 2

1.5.BỐ CỤC 2

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1.LÝ THUYẾT VỀ NHỊP TIM VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐIỆN TIM 4

2.1.1 Khái niệm về ECG 4

2.1.2 Sơ lược về hệ thống điện tim 4

2.1.3 Quá trình điện học của tim 5

2.1.4 Nguyên lý đọc tín hiệu điện tim 7

2.1.5 Ý nghĩa các sóng điện tâm đồ 7

2.1.6 Nồng độ oxy trong máu 9

2.1.7 Đo SpO2 bằng phương pháp hấp thụ quang học 11

2.2.GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 12

2.2.1 Khối cảm biến ngõ vào 12

2.2.2 Khối vi xử lý trung tâm 13

2.2.3 Khối nhận tín hiệu 16

2.2.4 Khối hiển thị 17

2.2.5 Các chuẩn giao tiếp 18

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 22

3.2.THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG 22

3.3.TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 23

3.4.SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TOÀN MẠCH 36

3.5.LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT VÀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH 38

CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG 45

4.1 GIỚI THIỆU 45

4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG: 45

4.2.2 Đóng gói và thi công mô hình: 48

4.2.3 Thi công hộp mô hình: 49

4.3.LẬP TRÌNH CHO HỆ THỐNG 49

4.4.VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG 56

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC TẾ 57

5.1.KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC TRONG QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN 57

5.2.KẾT QUẢ ĐO TRÊN THIẾT BỊ CHUẨN Y KHOA 61

5.3.ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 63

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 65

6.1.KẾT LUẬN 65

6.2.HƯỚNG PHÁT TRIỂN 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

PHỤ LỤC 67

LIỆT KÊ HÌNH ẢNH

Hình 2 1 Dạng sóng mẫu ECG 4

Hình 2 2 Quá trình điện học của tim .5

Hình 2 3 Vị trí các điện cực trên cơ thể 7

Hình 2 4 Dạng sóng mẫu đầy đủ ECG 8

Hình 2 5 Các thế tác động qua màng 10

Hình 2 6 Đo SpO2 bằng phương pháp hấp thụ quang học 12

Hình 2 7 Sơ đồ khối mạch ECG 12

Hình 2 8 Cảm biến nhịp tim và oxy trong máu MAX30100 13

Hình 2 9 Hình ảnh chip STM32F407VET6 kiểu đóng gói LQF1000 16

Hình 2 10 Sơ đồ chân ESP8266 Node MCU 17

Hình 2 11 Hình ảnh LCD mặt trước 18

Hình 2 12 Truyền UART 19

Hình 2 13 Định dạng một khung truyền của giao tiếp UART 20

Hình 2 14 Các bit dữ liệu trên SDA từ Master đến Slave(trái) và từ Slave đến Master(phải) 21

Hình 3 1 Sơ đồ khối toàn bộ hệ thống 22

Hình 3 2 Cấu hình bên trong IC INA114 23

Hình 3 3 Các mạch lọc thông thấp, thông cao được sử dụng 24

Hình 3 4 Mạch lọc Notch 25

Hình 3 5 Sơ đồ nguyên lý mạch tiền xử lý ECG 26

Hình 3 6 Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thực tế của module trên thị trường 27

Hình 3 7 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến MAX30100 28

Hình 3 8 Sơ đồ nguyên lý của mạch VDK STM32F4VET6 29

Hình 3 9 Mạch Reset vi điều khiển mức thấp và mạch tạo dao động 30

Hình 3 10 Sơ đồ nguyên lý module ESP8266-nodeMCU 31

Hình 3 11 Sơ đồ nguyên lý kết nối giữa ESP8266 và MCU 32

Hình 3 12 Mạch nguồn IC LM317 33

Hình 3 13 Sơ đồ kết nối LCD với vi điều khiển STM32F407 34

Hình 3 14 Sơ đồ nguyên lý board xử lý trung tâm, module wifi và LCD hiển thị 37

Hình 3 15 Lưu đồ của toàn bộ hệ thống 39

Hình 3 17 Giao diện chính của Keil C V5 41

Hình 3 18 Cửa sổ chứ các thư viện cho project 42

Hình 3 19 Cửa sổ soạn thảo của chương trình 42

Hình 3 20 Công cụ biên dịch và kết quả sau biên dịch 43

Hình 3 21 Công cụ nạp chương trình vào vi điều khiển 44

Hình 4 1 PCB của board xử lý trung tâm 46

Hình 4 2 Hình ảnh 3D của board trên phần mềm thiết kế Alltium 46

Hình 4 3 Hình ảnh thực tế board mạch mặt sau 47

Hình 4 4 Hình ảnh thực tế của board mạch mặt tước 47

Hình 4 5 Ảnh 3D bản vẽ đầu dò gắn cảm biến SpO2 48

Hình 4 6 Ảnh thực tế của đầu dò SpO2 48

Hình 4 7 Mô hình hệ thống hoàn chỉnh khi lắp tất cả linh kiện vào trong hộp 49

Hình 4 8 Giao diện Aduino IDE mới khởi động 49

Hình 4 9 Giao diện trình biên dịch Aduino IDE 50

Hình 4 10 Tiến hành tổng hợp và nạp chương trình 50

Hình 4 11 Giao diện khởi động chương trình STM32CubeMX 51

Hình 4 12 Tạo 1 Project mới 52

Hình 4 13 Giao diện cấu hình vi điều khiển 52

Hình 4 14 Cấu hình xung clock cho mạch 53

Hình 4 15 Lưu thông tin project và sinh code 54

Hình 4 16 Cấu hình cho mạch nạp 54

Hình 4 17 Cấu hình cho mạch reset 55

Hình 4 18 Tiến hành compile và nạp chương trình 56

Hình 5 1 Hệ thống lắp đặt hoàn chỉnh 58

Hình 5 2 Đầu dò cảm biến đo SpO2 59

Hình 5 3 Điện cực được dán lên cơ thể ở đạo trình Lead II (RA, LA, RL) 59

Hình 5 4 Kết quả đo ecg Lead II, nhị tim và SpO2 trên màn hình LCD 60

Hình 5 5 Kết quả đo đạt trên web server 61

Hình 5 6 Dạng sóng ecg Lead II đo được từ máy chuẩn y khoa 61

Hình 5 7 Kết quả 1 nhịp tim và nồng độ SpO2 đo được từ máy chuẩn y khoa 62

Hình 5 9 Hình ảnh thực hiện đo trên máy đo chuẩn y khoa 63

LIỆT KÊ BẢNG Bảng 3.1: Sơ đồ kết nối chân vi điều khiển 30

Bảng 3.2: Dòng điện tiêu thụ của các mạch sử dụng 33

Bảng 4.1: Danh sách linh kiện 45

Bảng 5.1: So sánh kết quả đo với máy chuẩn 63

TÓM TẮT

Vào thời đại công nghiệp hóa hiện nay, môi trường, thực phẩm bị ô nhiễm, đời sống con người vội vã, tấp nập, các thói quen không lành mạnh ngày càng ăn sâu vào tiềm thức, nếp sống của con người hiện đại, tất cả những điều đó khiến cho sức khỏe của con người đáng báo động hơn bao giờ hết Đặc biêt là các bệnh về tim mạch ngày càng xuất hiện nhiều và có xu hướng trẻ hóa, việc ngăn chặn và phòng ngừa các vấn đề về tim mạch là hết sức cần thiết

Với sự phát triển của khoa học công nghệ vào thời điểm hiện tại thì việc theo dõi sức khỏe cá nhân hằng ngày bằng thiết bị công nghệ là điều không còn xa vời với chúng ta IoT cũng dần được áp dụng rộng rãi vào đời sống, để theo dõi, giám sát những đối tượng mong muốn thông qua Internet toàn cầu

Đề tài của nhóm đã áp dụng tất cả các kiến thức đã học về điện tử cơ bản, điện tử

số, vi điều khiển, để hiện thực hóa một thiết bị công nghệ cho phép chúng ta theo dõi

sự hoạt động của tim, mạch một cách đơn giản và gần gũi nhất Sử dụng dòng vi điều khiển 32bit STM32F4 để tính toán xử lý tín hiệu, LCD 7inch cho phép hiển thị kết quả rõ nét và chi tiết nhất, kết hợp với hệ thống webserver trên Esp8266 giúp việc theo dõi từ xa cực kì đơn giản

Tất cả những điều đó sẽ tạo nên một thiết bị công nghệ có tính ứng dụng thực tế trong cuộc sống hằng ngày, giúp ích rất nhiều cho con người, nâng cao chất lượng cuộc sống hiện đại

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, các bệnh lý, vấn đề sức khỏe liên quan đến tim mạch ngày càng nhiều nguyên nhân đến từ thực phẩm, lối sống không lành mạnh trong xã hội hiện đại Nhiều trường hợp tai nạn đáng tiếc xảy ra chỉ vì không phát hiện và theo dõi được tình trạng tim mạch của người bệnh Việc áp dụng khoa học, kỹ thuật vào việc theo dõi các bệnh lý về tim mạch là hết sức cần thiết, giảm thiếu tối đa các tai nạn xảy ra chỉ vì không theo dõi kịp thời tim mạch của người bệnh

Công nghệ, kỹ thuật khoa học hiện nay rất phát triển, đặc biệt là các ngành khoa học về y sinh, hàng loạt các thiết bị về y sinh được ra đời nhằm phục vụ việc phát hiện và điều trị bệnh tật cho con người, trong đó các thiết bị về đo lường tim mạch cũng không ngoại lệ, thậm chí còn được đặt lên hàng đầu Một sản phẩm hướng đến

sự chính xác và kinh tế là một thách thức lớn cho các nhà nghiên cứu

Hiện nay lĩnh vực điện tử y sinh còn khá mới mẻ với sinh viên, hầu hết các Đồ

Án Tốt Nghiệp, công trình nghiên cứu trước đây đều hướng về việc đo nhịp tim sử dụng phương pháp đo sự thay đổi lượng ánh sáng khi cho qua các mô, da của người Phương pháp này rất hạn chế và kém chính xác, không phải là phương án triệt để cho việc phát hiện và theo dõi các bệnh lý về tim mạch

Từ các yếu tố trên, cùng các kiến thức đã được trang bị, nhóm xin được thực

hiện đề tài: Thiết kế và thi công máy đo điện tâm đồ (ECG), sẽ có chức năng đo đạt

được dạng sóng ECG để theo dõi được tình trạng tim mạch một cách chi tiết

1.2 MỤC TIÊU

Thiết kế và thi công máy đo điện tâm đồ ECG sử dụng các kiến thức về mạch khuếch đại thuật toán, mạch lọc thông thấp, thông cao và các kiến thức liên quan đến lập trình cho VĐK STM32F407VET6 Thiết kế được webserver trên ESP8266 để lưu nhận dữ liệu từ vi điều khiển và hiển thị lên web

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp với đề tài Thiết kế và thi công máy

đo điện tâm đồ ECG, nhóm chúng em đã tập trung giải quyết và hoàn thành được những nội dung sau:

- NỘI DUNG 1: Thiết kế schematic khối mạch đo lường tín hiệu ECG từ cơ thể sinh học bằng các mạch lọc, mạch khuếch đại cần thiết

- NỘI DUNG 2: Kiểm tra kết quả đo được bằng Oscilloscope, đánh giá và hiệu chỉnh lại các mạch lọc, khuếch đại nếu cần thiết

- NỘI DUNG 3: Thiết kế schematic khối mạch xử lý và hiển thị

- NỘI DUNG 4: Nghiên cứu lập trình, xuất tín hiệu từ Vi điều khiển ra khổi hiển thị

- NỘI DUNG 5: Thiết kế PCB cho toàn hệ thống bao gồm khối đo lường, khối

xử lý, khối hiển thị và khối nguồn

- NỘI DUNG 6: Thi công phần cứng toàn hệ thống

- NỘI DUNG 7: Nguyên cứu lập trình để hiển thị kết quả sóng ECG ra khối hiện thị, chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống

- NỘI DUNG 8: Viết báo cáo thực hiện

- NỘI DUNG 9: Bảo vệ luận văn

1.4 GIỚI HẠN

Các thông số giới hạn của đề tài bao gồm:

- Sử dụng LCD 7 inch 800x480 pixels, kích thước thiết bị 24cm x 11cm x 7cm

- Hệ thống chỉ đo 3 điện cực

- Hiển thị nhịp tim, nồng độ oxy trong máu, dạng sóng ECG

- Giao tiếp điện thoại với hệ thống qua Wifi, hiển thị kết quả đo trên web server bao gồm nhịp tim và nồng độ oxy trong máu

- Chất lượng đo nồng độ oxy trong máu phụ thuộc vào chất lượng của cảm biến MAX30100

1.5 BỐ CỤC

• Chương 1: Tổng quan

Trong chương này, nhóm thực hiện đề tài trình bày tổng quan về tình hình

nghiên cứu, thông tin liên quan đến đề tài trước đây Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

• Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Giới thiệu về sơ lược về cấu tạo của tim, tín hiệu nhịp tim, đồ thị điện tim,,

phương pháp đo điện tim bằng phương pháp hấp thụ quang học chuẩn giao tiếp I2C , UART, UDP… và các chuẩn giao tiếp khác trong đề tài

• Chương 3: Tính toán và thiết kế

Trong chương này, nhóm thực hiện thiết kế sơ đồ khối cho đề tài Thực hiện giới thiệu chức năng, lựa chọn linh kiện, thông số kĩ thuật của linh kiện, thiết kế sơ

đồ nguyên lí và giải thích sơ đồ nguyên lí cho từng khối

• Chương 4: Thi công hệ thống

Tiến hành thi công mô hình

• Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Đưa ra kết quả mà nhóm đạt được, số liệu, hình ảnh hệ thống sau khi thi công,

so sánh ưu điểm có cải tiến sao với các đề tài trước và so với máy đo thực tiếp của các sản phẩm đang có trên thị trường

• Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Đưa ra kết luận và hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 LÝ THUYẾT VỀ NHỊP TIM VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐIỆN TIM

2.1.1 Khái niệm về ECG

Điện tâm đồ (tiếng Anh: Electrocardiogram hay thường gọi tắt là ECG) là đồ thị ghi những thay đổi của dòng điện trong tim Quả tim co bóp theo nhịp được điều khiển của một hệ thống dẫn truyền trong cơ tim Những dòng điện tuy rất nhỏ, khoảng một phần nghìn volt, nhưng có thể dò thấy được từ các cực điện đặt trên tay, chân và ngực bệnh nhân và chuyển đến máy ghi Máy ghi điện khuếch đại lên và ghi lại trên điện tâm đồ Điện tâm đồ được sử dụng trong y học để phát hiện các bệnh về tim như rối loạn nhịp tim, suy tim, nhồi máu cơ tim v.v

2.1.2 Sơ lược về hệ thống điện tim

Tim người có 4 buồng để chứa và bơm máu Hai phần nhỏ ở phía trên gọi là tâm nhĩ (vì trông giống lỗ tai) Hai phần dưới lớn hơn gọi là tâm thất Máu theo tĩnh mạch từ cơ thể trở về tâm nhĩ phải, từ phổi trở về tâm nhĩ trái Tâm nhĩ trái bóp bơm máu vào tâm thất trái, tâm nhĩ phải đưa máu vào tâm thất phải Sau đó tâm thất phải bóp để bơm máu theo động mạch lên phổi và tâm thất trái bóp để bơm máu xuống cơ thể Tim có khả năng hoạt động đều đặn và thứ tự như thế là nhờ một hệ thống các tế bào dẫn điện đặc biệt nằm trong cơ tim

Trong tâm nhĩ bên phải

có nút xoang nhĩ (sinoatrial

node) gồm các tế bào có khả

điện (electric impulse)

Xung điện này truyền ra các

cơ chung quanh làm co bóp

hai tâm nhĩ (tạo nên sóng P

trên Điện Tâm đồ) Sau có

dòng điện tiếp tục truyền theo 1

chuỗi tế bào đặc biệt tới nút nhĩ thất (atrioventricular node) nằm gần vách liên thất rồi theo chuỗi tế bào sợi Purkinje chạy dọc vách liên thất lan vào các cơ chung quanh

Hình 2 1 Dạng sóng mẫu ECG

(loạt sóng QRS) làm hai thất này co bóp Sau đó xung điện giảm đi, tâm thất giãn ra (tạo nên sóng T)

2.1.3 Quá trình điện học của tim

Tim là tổ chức cơ rỗng, tại đó sự co bóp một cách tuần tự các cơ sẽ tạo ra áp lực đẩy máu đi qua các bộ phận khác nhau trên cơ thể Mỗi nhịp tim được kích thích bởi xung điện từ các tế bào nút xoang tại tâm nhĩ Các xung điện truyền đến các bộ phận khác của tim và làm cho tim co bóp Việc ghi tín hiệu điện tim là ghi lại các tín hiệu điện này (tín hiệu ECG)

Năng lượng chuyển hóa được sử dụng để tạo ra môi trường trong giàu Kali nhưng ít Natri so với thành phần ngoại bào Natri cao và Kali thấp Do có sự không cân bằng tồn tại điện thế tĩnh trên màng tế bào, bên trong chừng 90 mV so với bên ngoài Khi tế bào bị kích thích (bằng cách cho dòng điện vốn làm tăng tạm thời thế ngang mảng), các tính chất của mảng thay đổi theo chu trình, pha thứ nhất của nó là

độ thấm mạnh đối với Natri, dòng Natri lớn (sớm) chảy vào trong do các gradient khuếch tán và điện

Hình 2 2 Quá trình điện học của tim

Trong khi di chuyển liên tiếp, tế bào về cơ bản có tính chất như nguồn lưỡng điện Dòng Natri chuyển tiếp này chịu trách nhiệm về dòng mạch điện nội tại và là một phần của dòng điện đó Theo cách này, hoạt động mở rộng tiếp tới các tế bào lân cận Khi màng hồi phục (trở về các tính chất nghỉ), điện thế tác động của tế bào kết thúc và nó trở lại trạng thái nghỉ và có khả năng được tái kích thích Nói một cách ngắn gọn khi có dòng Natri, Kali chảy qua màng tim thì có điện thế được sinh ra

Điện tâm đồ được sử dụng trong nhiều trường hợp y học sau:

- Chẩn đoán nhồi máu cơ tim khi cơ tim bị thiếu máu và dưỡng khí, bị tổn thương hay hoại tử, khả năng dẫn truyền điện của cơ sẽ thay đổi Sự thay đổi này có thể ghi nhận được trên điện tâm đồ, đây là một trong những giá trị nhất của phương pháp cận lâm sàng này

- Chẩn đoán thiếu máu cơ tim: cơ tim bị thiếu máu sẽ cho thấy hình ảnh sóng T trên điện tâm đồ dẹt, âm

- Chẩn đoán và theo dõi rối loạn nhịp tim bất thường tại vị trí phát nhịp (nút xoang, nút nhĩ nhất, cơ tim) và dẫn truyền một chiều của tim sẽ cho thấy hình ảnh nhịp tim bất thường trên điện tâm đồ

- Chẩn đoán và theo dõi rối loạn dẫn truyền nhịp tim đập do một hệ thống dẫn truyền khoa học, việc tổn thương hay mất sự mạch lạc dẫn truyền cho thấy các bất thường về các nhánh điện học của tim trên điện tâm đồ (Block AV, Block nhánh tim)

- Chẩn đoán các chứng tim lớn khi cơ tim dày hay dãn, quá trình khử cực, tái cực của từng thành phần trong cơ tim sẽ thay đổi, qua đó trên giấy ghi sẽ cho những gợi ý nhất định về tình trạng lớn buồng tim, tuy nhiên giá trị của ECG không ưu thế là trường hợp này, vì thay đổi nhiều vào chủng tộc, nhiều yếu tố gây nhiễu và độ nhạy kém, y học cũng có nhiều công cụ chẩn đoán tim to tốt hơn

- Chẩn đoán một số thay đổi sinh hóa máu vì điện tim là do sự di chuyển của các ion như natri, kali, canxi, v.v Khi có thay đổi lớn trong nồng độ các chất này, điện tâm đồ có khả năng thay đổi

- Chẩn đoán một số ngộ độc thuốc Digoxin làm thay đổi đoạn ST của mọi cực Thuốc chống trầm cảm 3 vòng làm dài đoạn QT

2.1.4 Nguyên lý đọc tín hiệu điện tim

Xung điện từ truyền từ các tế bào nút xoang tâm nhỉ đến các bộ phận khác của tim chính là tín hiệu mà chúng ta cần đo đạt, hình dạng tín hiệu này thể hiện được nhiều ý nghĩa sinh học trên nhiều phần của tim,cứ mỗi xung điện từ đến các vị trí khác nhau trên tim sẽ cho một dạng sóng khác nhau, hình dạng đó chính là dạng sóng ECG

Sử dụng mạch khuếch đại đo lường để khếch đại tín hiệu điện áp từ các điện cực trên

cơ thể và lọc bỏ các tín hiệu nhiễu khác ta sẽ có được tín hiệu ECG mong muốn

Hình 2 3 Vị trí các điện cực trên cơ thể

Như đã đề cập ở trên, có thể xác định được tín hiệu ECG thông qua hệ thống điện cực đặt trên bề mặt cơ thể Người ta đặt các điện cực ở những vị trí thuận lợi nhất, phản ánh trung thực tín hiệu ECG, những vị trí đó chính là các điện cực trên cơ thể, chúng ta có 10 điện cực:

- 4 điện cực chi: tay trái (LA), tay phải (LR), chân trái (RL), chân phải (LL)

Sóng P: Bình thường sóng P ở:

- D1, D2, V3, V4, V5, V6, aVF: bao giờ cũng dương

- D3, aVL, V1, V2: đa số dương, có thể âm nhẹ, 2 pha

- aVR: bao giờ cũng âm

Dù dương, âm hay 2 pha, sóng P có thể móc nhẹ hoặc chẻ đôi Biên độ sóng P thường cao nhất ở D2 Sóng P được hình thành do quá trình khử cực tâm nhĩ Sóng P bình thường có biên độ dưới 2mm (0.2 mmV), thời gian từ 0.08-1 giây Khi sóng P tăng biên độ hoặc kéo dài thời gian có thể bệnh nhân đang có tình trạng tâm nhĩ lớn Nếu tăng biên độ có thể bệnh nhân lớn nhĩ phải, nếu kéo dài thời gian khử cực có thể bệnh nhân lớn nhĩ trái

Hình 2 4 Dạng sóng mẫu đầy đủ ECG Phức bộ QRS thể hiện quá trình khử cực của tâm thất, bình thường QRS kéo dài

từ 0.06-0.1 giây Tùy vào chiều khử cực và vị trí đặt điện cực mà trên giấy ghi sẽ cho thấy các phức bộ khác nhau

Sóng Q là sóng âm đầu tiên của phức bộ QRS, hình thành do quá trình khử cực vách liên thất Ở người bình thường, sóng Q thường nhỏ và ngắn Nếu sóng Q biên độ

âm lớn và kéo dài có thể đang có tình trạng hoại tử cơ tim

Sóng R là sóng dương đầu tiên của phức bộ, theo sau nó là sóng âm S Đây là hai sóng hình thành do khử cực thất, có bản chất giống nhau

Sóng T bình thường rộng, đỉnh tày, hai sườn không đối xứng, sườn lên thoải, sườn xuống dốc hơn Bao giờ cũng dương ở D1, aVF, V3, V4, V5, V6, biên độ lớn nhất ở V3, V4 và bao giờ cũng âm ở aVR Ở D2 đa số dương, một số nhỏ hai pha Ở D3, aVL đa số là dương, một số hai pha hoặc âm Ở V1, đa số là âm, một số nhỏ dương hay hai pha

Sóng T là sóng theo sau phức bộ QRS, thể hiện quá trình tái cực muộn của hai tâm thất Sóng T có vai trò quan trọng trong nhận định tình trạng thiếu máu cơ tim

Sóng U: Bình thường trên điện tâm đồ không có sóng U, nếu có thì chỉ là sóng nhỏ sau sóng T Trong một số bệnh lý như tăng huyết áp, bệnh lý mạch vành, bệnh van tim, bệnh lý cơ tim, khi đo điện tâm đồ, có thể có sóng U đảo ngược hay nhô cao nhọn

Khoảng PQ là thời gian dẫn truyền từ nhĩ đến thất Cách đo khoảng PQ là từ khởi điểm sóng P đến khởi điểm sóng Q hoặc sóng R khi không có Q Ở người bình thường, khoảng PQ kéo dài từ 0.12-0.2 giây Nếu PQ ngắn, có thể bệnh nhân có hội chứng kích thích sớm (Wolf-Parkinson-White), nếu PQ kéo dài thể hiện quá trình chậm dẫn truyền

Đoạn ST là một đoạn thẳng đi từ điểm J tới khởi điểm sóng T Đoạn ST có ý nghĩa là giai đoạn tái cực thất sớm, bình thường đoạn ST rất ít nằm chênh lệch lên hoặc xuống đường đẳng điện Trong một số trường hợp bệnh lý, đoạn ST có thể chênh lên hoặc chênh xuống, do đó đoạn ST có nhiều giá trị trong chẩn đoán các bệnh lý tim mạch

Đoạn QT là thời gian tâm thu điện học của tâm thất Giá trị bình thường của QT phụ thuộc vào tần số tim Nếu QT kéo dài bất thường, bệnh nhân có thể có nguy cơ loạn nhịp thất, đặc biệt là xoắn đỉnh

2.1.6 Nồng độ oxy trong máu

Một phân tử Hemoglobin (Hb) có thể kết hợp với 4 phân tử oxy, khi đã gắn đủ 4 phân tử oxy được gọi là bão hòa oxy Độ bão hòa oxy trong máu còn được gọi là chỉ

số SpO2, biểu thị cho tỷ lệ Hemoglobin có oxy trên tổng lượng Hemoglobin trong máu Nếu tất cả các phân tử Hemoglobin trong máu đều gắn với oxy thì độ bão hòa oxy là 100% Chỉ số SpO2 được xem là một trong những dấu hiệu sinh tồn của cơ thể, bên cạnh các dấu hiệu như: nhiệt độ, mạch, nhịp thở và huyết áp Khi bị thiếu oxy

máu, các cơ quan như tim, gan, não sẽ chịu tác động tiêu cực rất nhanh Vì vậy, cần theo dõi chỉ số SpO2 thường xuyên để kịp thời can thiệp nếu xảy ra tình trạng nguy hiểm

Hầu hết các phân tử Hb sẽ gắn với oxy

khi chúng đi qua phổi Một người khỏe

mạnh bình thường khi thở ở không khí trên

mực nước biển sẽ có độ bão hòa oxy động

mạch là 95% - 100%

• Nếu lượng oxy trong máu hòa tan ở

khoảng 97% - 99%: oxy trong máu tốt

• Nếu lượng oxy trong máu hòa tan ở

khoảng 94% - 96%: oxy trong máu trung

bình – cần cho thở thêm oxy

• Nếu lượng oxy trong máu hòa tan ở khoảng 90% - 93%: oxy trong máu thấp – nên có y tá hoặc bác sĩ theo dõi hoặc đến bệnh viện gần nhất

• Nếu SpO2 dưới 92% không thở oxy hoặc dưới 95% có thở oxy: đây là các dấu hiệu suy hô hấp rất nặng

• Độ bão hòa oxy thấp hơn 90% là một cấp cứu trên lâm sàng

Chỉ số SpO2 ở trẻ sơ sinh cũng giống như người lớn: trên 94% Nếu chỉ số SpO2 của trẻ giảm xuống dưới mức 90% thì cần thông báo cho y bác sĩ để được hỗ trợ can thiệp kịp thời

Nồng độ oxy trong máu bất thường nói lên:

- Ngộ độc CO là một khí độc, có nhiều khi đốt than Đã có nhiều nạn nhân ngộ độc khí CO do dùng than tổ ong để sưởi ấm để lại hậu quả nghiêm trọng CO thay thế oxy ở vị trí gắn vào Sắt trên phân tử Hb gây ra ngộ độc CO, làm tăng COHb (CO gắn vào Hemoglobin) và giảm HbO2 (oxy gắn vào Hemoglobin) Hiện tượng này làm giảm

độ bão hòa của oxy trong máu

- Thiếu máu tức là Hemoglobin trong máu giảm thấp hơn bình thường Khi không

có tình trạng thiếu oxy máu, máy đo oxy dựa vào mạch đập sẽ cho kết quả chỉ số SpO2 chính xác khi nồng độ hemoglobin giảm xuống 2 - 3g/dL

- Những bệnh nhân có chỉ số đo SpO2 dưới 93%, được đánh giá là thiếu oxy máu cần được thở oxy hoặc thở máy (nếu bệnh nhân không tự thở được) Với bệnh nhân

Hình 2 5 Các thế tác động qua màng

làm trong môi trường bí khí, thiếu oxy như nhà máy, lò đốt, mỏ quặng khi đi ra môi trường thoáng nhiều, oxy sẽ được bổ sung khi thở, bác sĩ sẽ điều chỉnh lượng oxy cho bệnh nhân thở cho tới khi chỉ số SpO2 ở mức ổn định là 97 - 100% Mức oxy được sử dụng cho bệnh nhân tiếp tục được giữ cho tới khi họ thở ổn định trở lại

2.1.7 Đo SpO2 bằng phương pháp hấp thụ quang học

- Máu chứa đựng một loại sắc tố đỏ gọi là Hemoglobin, tồn tại ở 2 dạng: đẩy đủ

và thiếu phân tử oxy Dạng hemoglobin đầy đủ sẽ hấp thụ ánh sáng hồng ngoại nhiều hơn ánh sáng đỏ, và ngược lại với dạng thiếu phân từ oxy Dựa vào tính chất đó chúng

ta cho 1 nguồn sáng bao gồm ánh sáng đó và ánh sáng hồng ngoại, bằng cách đo đạt

sự tương quan giữa 2 lượng ánh sáng của 2 nguồn sáng trên, ta có thể tính toán được nồng độ mỗi loại hemoglobin, bao gồm dạng hemoglobin đầy đủ, cũng chính là nồng

độ oxy trong máu

Ánh sáng khi truyền qua ngón tay gồm 2 thành phần AC và DC:

• Thành phần DC đặc trưng cho cường độ ánh sáng cố định truyền qua mô xương

Nếu đặt cảm biến ở khuỷu tay hay cổ tay thì có ưu điểm là áp suất máu trong động mạch biến động rất lớn, nhưng do ánh sáng từ LED phải truyền qua một bề dày lớn của cơ thể, dẫn đến việc bị hấp thụ quá nhiều bởi mô và xương Mà độ nhạy của Photodiode là giới hạn nên ta sẽ cần một nguồn sáng với cường độ rất lớn, dẫn đến hao phí năng lượng và khó ổn định được cường độ của nguồn sáng từ LED

Nếu đặt cảm biến ở vành tai, ánh sáng chỉ cần đi qua một bề dày rất nhỏ, nhưng động mạch ở vị trí này quá bé, mức độ biến thiên cường độ ánh sáng nhận được là quá nhỏ so với toàn bộ ánh sáng nhận được, nên tín hiệu điện không đủ độ tin cậy

Vị trí đặt cảm biến hợp lý nhất là các đầu ngón tay, tuy động mạch ở vị trí này không quá lớn nhưng bề dày cơ thể ánh sáng phải truyền qua lại tương đối ít nên chỉ cần dùng 1 LED làm nguồn phát Mặt khác, ở vị trí này cho mức độ biến thiên cường

độ ánh sáng nhận được là khá lớn so với toàn bộ ánh sáng nhận được, tỉ số giữa biên

độ tín hiệu với nền một chiều là đủ lớn để phần xử lý tín hiệu hoạt động đưa ra kết quả chính xác nhất

Hình 2 6 Đo SpO2 bằng phương pháp hấp thụ quang học

Tần số chung của các thành phần quan trọng trên ECG:

- Nhịp tim: 0,67 - 5 Hz (tức là 40 - 300 bpm)

- Sóng P: 0,67 - 5 Hz

- Điện ngoài: 50 hoặc 60 Hz (tần số điện lưới AC)

- Điện khác: thường > 10 Hz (kích thích cơ, từ trường mạnh, máy tạo nhịp có theo dõi trở kháng)

Các mạch lọc thông thấp, thông cao thường sẽ chọn ở mức 0.5hz – 150hz

Để loại bỏ tần số 50hz của điện lưới AC, chúng ta cần một mạch lọc notch 50hz

❖ Khối cảm biến SpO2

Để đo được SpO2 nhóm em sẽ sử dụng module MAX30100 có sẵn trên thị trường

Hình 2 8 Cảm biến nhịp tim và oxy trong máu MAX30100

2.2.2 Khối vi xử lý trung tâm

• Giới thiệu vi xử lý ARM

Cấu trúc ARM (Acorn RISC Machine) là một loại cấu trúc vi xử lý 32bit kiểu RISC được sử dụng rộng rãi trong thiết kế nhúng Do đặc điểm tiết kiệm năng lượng, các bộ CPU ARM chiếm được ưu thế trong các sản phẩm điện tử di động, mà các sản phẩm này việc tiêu tán công suất thấp là một mục tiêu thiết kế hàng đầu

• Một số ưu điểm nổi bật của vi điều khiển lõi ARM

- Sức mạnh xử lý: Không nói cụ thể về tốc độ xung clock ở đây Điều làm nên sự khác biệt lớn hơn là lõi 32bit có thể nhân hai số 10 chữ số chỉ trong một chu kỳ xung nhịp Ở cùng tốc độ xung nhịp, kiến trúc 32bit có thể nhanh hơn 8 lần so với kiến trúc 8bit thông thường Có nghĩa là hiệu quả năng lượng tốt hơn (mức tiêu thụ năng lượng tăng tuyến tính với tốc độ xung nhịp)

- Tốc độ đáp ứng: Đây là nơi có các lõi và thiết bị ngoại vi tốc độ cao xuất hiện Với tốc độ xung nhịp tối đa trên 50 MHz, cho đến hết hàng trăm MHz, lõi và các thiết

bị ngoại vi phản ứng cực nhanh Đối với các ứng dụng thời gian thực như triển khai máy chủ/máy khách, web và ứng dụng Internet of Things, điều này tạo ra sự khác biệt

- Thiết bị ngoại vi: Mặc dù ARM có vẻ đắt tiền ngay từ cái nhìn đầu tiên, chúng được thiết kế cho các thiết kế giá rẻ Chip thường chứa hầu hết mọi thứ mà các ứng dụng thông thường, chẳng hạn như bộ định thời, ADC và DAC Các giao diện như UART, I2C, SPI, SDIO, JTAG, USB, CAN, I2S, v.v đều được xây dựng dưới dạng thiết bị ngoại vi Thông thường có hơn 6-8 giao diện khác nhau trên một ARM

- Bộ nhớ tăng : Đừng bao giờ mong đợi nhìn thấy dung lượng bộ nhớ flash là 16

MB Nhiều bộ nhớ hơn thường flash khoảng 512kB hoặc 1 MB Nhưng một lần nữa, tập lệnh lai tạo cho mật độ mã máy rất cao Bạn có thể mã hóa trình phát MP3 đầy đủ tính năng với bộ nhớ flash là 400kB Ngoài ra, bộ đệm và cơ chế đường ống giúp tăng tốc truy cập flash để một lệnh được thực thi cho mỗi chu kỳ xung clock Hầu như không có trạng thái chờ trong bộ xử lý ARM nếu bạn lập trình đúng cách Ngoài ra, RAM được kết nối trực tiếp với bus hệ thống nội bộ (thường được gọi là AHB) với tốc độ cực cao Bạn thường nhận được hơn 16-23kB RAM trên chip ARM7 thông thường Khi bạn chuyển sang các thiết bị ARM có flash / RAM ngoài, bạn có thể đạt tới 64 hoặc 128 MB cho các tùy chọn bộ nhớ RAM và flash

- Cấu hình đầy đủ: Đây là một trong những tính năng hấp dẫn nhất bạn sẽ tìm thấy trên chip ARM Mỗi thiết bị ngoại vi đều có cấu hình đầy đủ - chi tiết đến từng phút

Ví dụ, trên phần cứng giao diện nối tiếp, bạn thậm chí có thể quyết định thời gian cao

và thời gian thấp cho tín hiệu xung Đối với UART, tốc độ baud không lỗi và hỗ trợ phần cứng để kiểm tra tính chẵn lẻ và nhiều tính năng khác giúp nhận ra ứng dụng của bạn đẹp mắt và chuyên nghiệp

• Thông số kỹ thuật

- Bộ nhớ Flash lên tới 1 Mbyte

- 192 + 4 Kbyte SRAM bao gồm RAM dữ liệu 64-Kbyte CCM (bộ nhớ kết hợp lõi)

- Bộ điều khiển bộ nhớ tĩnh linh hoạt hỗ trợ các bộ nhớ Compact Flash,SRAM, PSRAM, NOR và NAND

- Hỗ trợ truyền dữ liệu song song với LCD

- Nguồn cung cấp từ 1.8V đến 3.6V

- Bộ tạo dao động tinh thể 4 đến 26 MHz

- Dao động 32 kHz cho RTC với hiệu chuẩn RC 32 kHz bên trong có hiệu chuẩn

- Chế độ ngủ, dừng và chờ

- Cung cấp cho RTC, các thanh ghi dự phòng 20 × 32 bit + SRAM sao lưu 4 KB tùy chọn

- Bộ chuyển đổi A/D 3 × 12 bit, 2.4 MSPS: tối đa 24 kênh và 7.2 MSPS

- Bộ chuyển đổi D/A 2 × 12 bit DMA đa năng

- DMA 16 luồng với hỗ trợ FIFO và hỗ trợ cụm

- Lên đến 17 bộ định thời: tối đa 12 bộ định thời 16 bit và 2 bộ định thời

- 32 bit lên đến 168 MHz, mỗi bộ có tối đa 4 IC / OC / PWM hoặc bộ đếm xung

- 140 cổng I/O với khả năng ngắt

- 136 I/O nhanh lên đến 84 MHz

- Giao diện lên tới 3 × I 2 C (SMBus / PMBus)

- 4 USART / UART (10,5 Mbit / s, giao diện ISO 7816, LIN, IrDA, điều khiển modem)

- 3 SPI (42 Mbits/giây), 2 với I2S song công hoàn chỉnh để đạt được độ chính xác của lớp âm thanh thông qua PLL âm thanh bên trong hoặc đồng hồ bên ngoài

- Giao diện 2 × CAN (Hoạt động 2.0B)

- Giao diện SDIO

- Giao diện camera song song 8 đến 14 bit lên tới 54 Mbyte/s

- Trình tạo số ngẫu nhiên thực

- Đơn vị tính CRC ID duy nhất 96 bit

Kit RF thu phát Wif ESP8266 NodeMCU Lua phát triển dựa trên nền chip Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ sử dụng và đặc biệt là có thể sử dụng trực tiếp trình biên dịch của Arduino để lập trình và nạp code, điều này khiến việc sử dụng và lập trình các ứng dụng trên ESP8266 Node MCU trở nên rất đơn giản Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua được dùng cho các ứng dụng cần kết nối, thu thập dữ liệu

và điều khiển qua sóng Wifi, đặc biệt là các ứng dụng liên quan đến IoT

• Thông số kỹ thuật

- NodeMCU có cổng USB-TTL với IC CP2102 hoạt động ổn định với chuẩn công nghiệp

- Điện áp giao tiếp: 3.3 VDC,

- Loại ăngten: ăng ten PCB tích hợp trên mạch

- Chuẩn 802.11 b / g / n không dây

- WiFi 2.4GHz, hỗ trợ chế độ bảo mật WPA / WPA2

- Hỗ trợ 3 chế độ hoạt động STA / AP / STA + AP

- Tích hợp giao thức TCP / IP để hỗ trợ nhiều kết nối TCP Client (5 MAX)

- D0 ~ D8, SD1 ~ SD3: sử dụng như GPIO, PWM, IIC, vv, dòng điều khiển 15mA

- AD0: 1 kênh ADC

- Nguồn vào: 4.5V ~ 9V (10VMAX), nguồn từ cổng USB

- Dòng tải: truyền liên tục: ≈70mA (200mA MAX), chế độ chờ: <200uA

- Tốc độ truyền: 110-460800bps

- Hỗ trợ giao tiếp truyền dữ liệu UART / GPIO

- Nâng cấp phần mềm từ xa (OTA)

- Hỗ trợ Smart Link Smart Networking

Màn hình LCD cảm ứng điện dung 7inch được phát triển với mục đích giúp người sử dụng có thể thiết kế các giao diện điều khiển và hiển thị (GUI) trên màn cảm ứng một cách dễ dàng và trực quan nhất Các điểm mạnh về tính năng như sau:

- Giao tiếp FSMC chuẩn song song, với chỉ 16 dây dữ liệu và 4 dây điều khiển tín hiệu

- Thiết kế cảm ứng điện dung giúp dễ dàng thao tác khi mang găng tay trong môi trường lao động

- Mạch có chất lượng gia công tốt, độ bền cao

• Thông số kỹ thuật

- Màn hình HMI 7inch cảm ứng điện dung

- Giao tiếp song song FSMC

- Cấp nguồn 3.3VDC

- Có bộ nhớ lưu trữ và xử lý hình ảnh

Hình 2 11 Hình ảnh LCD mặt trước

2.2.5 Các chuẩn giao tiếp

2.2.5.1 Chuẩn giao tiếp UART giữa STM32F407 và ESP8266

UART chuyển đổi giữa dữ liệu nối tiếp và song song Một chiều UART chuyển đổi dữ liệu song song bus hệ thống ra dữ liệu nối tiếp để truyền đi Một chiều khác UART chuyển đổi dữ liệu nhận được dạng dữ liệu nối tiếp thành dạng dữ liệu song song cho CPU có thể đọc vào bus hệ thống

Hình 2 12 Truyền UART

UART hỗ trợ cả hai kiểu giao tiếp là giao tiếp đồng thời và giao tiếp không đồng thời Giao tiếp đồng thời tức là UART có thể gửi và nhận dữ liệu vào cùng một thời điểm Còn giao tiếp không đồng thời là chỉ có một thiết bị có thể chuyển dữ liệu vào một thời điểm, với tín hiệu điều khiển hoặc mã sẽ quyết định bên nào có thể truyền dữ liệu Giao tiếp không đồng thời được thực hiện khi mà cả 2 chiều chia sẽ một đường dẫn hoặc nếu có 2 đường nhưng cả 2 thiết bị chỉ giao tiếp qua một đường ở cùng một thời điểm Thêm vào đường dữ liệu, UART hỗ trợ bắt tay chuẩn RS232 và tín hiệu điều khiển như RTS, CTS, DTR, DCR, RT và CD Để thuận tiện, các chương trình gửi và nhận dữ liệu trong định dạng không đồng bộ đơn giản hơn PC và nhiều vi xử

lý khác có một bộ phận gọi là UART (universal asynchronous receiver/transmitter: truyền /nhận không đồng bộ chung) vì thế có thể vận dụng phần lớn những chi tiết truyền và nhận dữ liệu Trong PC, hệ điều hành và ngôn ngữ lập trình hỗ trợ cho lập trình liên kết nối tiếp mà không cần phải hiểu rõ chi tiết cấu trúc UART Để mở liên kết, ứng dụng lựa chọn một tần số dữ liệu hoặc là thiết lập khác hoặc cho phép truyền thông tại các cổng Để gửi 1 byte, ứng dụng ghi byte này vào bộ đệm truyền của cổng được lựa chọn, và UART gửi dữ liệu này, từng bit một, trong định dạng yêu cầu, thêm bit Start, bit Stop, bit chẵn lẻ khi cần Trong một cách đơn giản, byte nhận được tự động được lưu trữ trong bộ đệm UART có thể dùng nhanh một ngắt để báo cho CPU

và các ứng dụng biết dữ liệu đang nhận được và các sự kiện khác Một vài vi điều khiển không bao gồm UART, và thỉnh thoảng bạn cần nhiều hơn các UART mà vi xử

lý có Trong trường hợp này, có 2 lựa chọn: thêm UART ngoài, hoặc mô phỏng UART trong mã chương trình Basic Stamp của Parallax là một ví dụ của chip với một UART

bổ sung trong mã chương trình UART là một thiết bị đơn giản hỗ trợ tốt cả hai kiểu truyền thông đồng bộ và không đồng bộ

• Các thông số cơ bản của chuẩn truyền :

- Baud rate (tốc độ Baud) : Khi truyền nhận không đồng bộ để hai module hiểu được nhau thì cần quy định một khoảng thời gian cho 1 bit truyền nhận, nghĩa là trước khi truyền thì tốc độ phải được cài đặt đầu tiên Theo định nghĩa thì tốc độ baud là số bit truyền trong một giây

- Frame (khung truyền): Do kiểu truyền thông nối tiếp này rất dễ mất dữ liệu nên ngoài tốc độ, khung truyền cũng được cài đặt từ ban đầu để giảm bớt sự mất mát dữ liệu này Khung truyền quy định số bit trong mỗi lần truyền, các bit thông báo như start, stop, các bit kiểm tra như parity, và số bit trong một data

- Bit Start: Là bit bắt đầu trong khung truyền Bit này nhằm mục đích báo cho thiết

bị nhận biết quá trình truyền bắt đầu Trên AVR bit Start có trạng thái là 0

- Data: Dữ liệu cần truyền data không nhất thiết phải 8bit có thể là 5, 6, 7, 8, 9 Trong UART bit LSB được truyền đi trước, bit MSB được truyền đi sau

- Parity bit: Là bit kiểm tra dữ liệu Có 2 loại parity: chẵn (even parity), lẻ (old parity) Parity chẵn là bit parity thêm vào để số số 1 trong data + parity = chẵn Parity

lẻ là bit parity thêm vào để số số 1 trong data + parity = lẻ Bit parity là không bắt buộc nên có thể dùng hoặc không

Hình 2 13 Định dạng một khung truyền của giao tiếp UART

2.2.5.2 Chuẩn giao tiếp I2c

Giao tiếp I2C được bắt đầu bởi thiết bị Master hoặc để gửi dữ liệu đến thiết bị Slave hoặc nhận dữ liệu từ thiết bị đó Chúng ta hãy tìm hiểu về cách làm việc của cả hai kịch bản một cách chi tiết

Trình tự hoạt động sau đây diễn ra khi một thiết bị Master gửi dữ liệu đến một thiết

bị Slave cụ thể thông qua bus I2C:

- Thiết bị Master gửi điều kiện bắt đầu đến tất cả các thiết bị Slave

- Thiết bị Master gửi 7 bit địa chỉ của thiết bị Slave mà thiết bị Master muốn giao tiếp cùng với bit Read/Write

- Mỗi thiết bị Slave so sánh địa chỉ được gửi từ thiết bị Master đến địa chỉ riêng của nó Nếu địa chỉ trùng khớp, thiết bị Slave gửi về một bit ACK bằng cách kéo đường SDA xuống thấp và bit ACK / NACK được thiết lập là ‘0’, Nếu địa chỉ từ thiết

bị Master không khớp với địa chỉ riêng của thiết bị Slave thì đường SDA ở mức cao

và bit ACK / NACK sẽ ở mức ‘1’ (mặc định)

- Thiết bị Master gửi hoặc nhận khung dữ liệu Nếu thiết bị Master muốn gửi dữ liệu đến thiết bị Slave, bit Read / Write là mức điện áp thấp Nếu thiết bị Master đang nhận dữ liệu từ thiết bị Slave, bit này là mức điện áp cao

- Nếu khung dữ liệu được thiết bị Slave nhận được thành công, nó sẽ thiết lập bit ACK / NACK thành ‘0’, báo hiệu cho thiết bị Master tiếp tục

- Sau khi tất cả dữ liệu được gửi đến thiết bị Slave, thiết bị Master gửi điều kiện dừng để báo hiệu cho tất cả các thiết bị Slave biết rằng việc truyền dữ liệu đã kết thúc

- Hình dưới đây thể hiện toàn bộ các bit dữ liệu được gửi trên đường SDA và thiết

bị điều khiển chúng khi thiết bị Master gửi dữ liệu đến thiết bị Slave

Hình 2 14 Các bit dữ liệu trên SDA từ Master đến Slave(trái) và từ Slave đến

Master(phải)

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

3.1 GIỚI THIỆU

Trong chương này, trình bày về cách tính toán, sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý của các board mạnh của hệ thống: Mạch điều khiển LCD, mạch đọc tín hiệu điện tim, giao tiếp không dây, LCD hiển thị, mạch nguồn

3.2 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG

Hình 3 1 Sơ đồ khối toàn bộ hệ thống

Chức năng của các khối:

- Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống

- Khối đọc ngõ vào: Tiếp nhận tín hiệu điện sinh học từ cơ thể thông qua các điện

cực, cảm biến, thông qua các bộ lọc cứng hoặc mềm trên MCU để tính toán đưa ra kết quả đo

- Khối vi xử lý trung tâm: Nhận giữ liệu từ khối đọc tín hiệu điện tim, xử lý tính

toán và cho dữ liệu ra khối giao tiếp wifi, lcd hiển thị

- Khối giao tiếp wifi: Nhận dữ liệu từ khối xử lý trung tâm, đưa kết quả(bao gồm

dạng sóng ECG,số nhịp tim trên phút, nồng độ oxy trong máu) lên Web server

- Khối hiển thị: Hiển thị nội dung nhận được từ khối vi điều khiển, bao gồm sóng

ECG, nhịp tim trên phút và nồng độ oxy trong máu

Web server

- Webserver: Nhận dữ liệu từ khối giao tiếp Wifi, hiển thị nhịp tim, nống độ oxy

trong máu

3.3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

a Tính toán và thiết kế khối mạch ngõ vào

❖ Mạch thu nhân tín hiệu ECG

- Mạch khuếch đại đo lường sử dụng IC INA114 với cấu hình bên trong IC như

sau:

Hình 3 2 Cấu hình bên trong IC INA114

Để khuếch đại được tín hiệu hàng milivolt đến vài chục milivolt thành tín hiệu ngõ ra ở mức hàng volt thì nhóm sẽ chọn hệ số khếch đại là 51:

Với G = 1+50𝑘

𝑅𝑔 = 51 => Rg = 1 kOhm

Mạch lọc thông giải cho tín hiệu sau khếch đại:

Hình 3 3 Các mạch lọc thông thấp, thông cao được sử dụng

Để lấy được ngõ ra là những tín hiệu ECG ta cần chọn giải thông từ 0.5hz – 100hz

Lọc thông thấp (Low pass):

(Ta chọn linh kiện giá trị sát với giá trị linh kiện có trên thị trường)

❖ Sơ đồ nguyên lý của mạch tiền xử lý ECG:

Hình 3 5 Sơ đồ nguyên lý mạch tiền

xử lý ECG