Thiết kế và thi công máy đo nhịp tim giao tiếp với máy tính

Các số liệu ban đầu: - Hệ thống theo dõi nhịp tim giao tiếp với máy tính qua giao thức serial - Sử dụng bộ xử lý chính là board Arduino Uno R3 - Module cảm biến được sử dụng là AD8232, m

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

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

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY ĐO NHỊP TIM

GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH

SKL 0 0 6 7 1 9

GVHD: NGUYỄN THANH NGHĨA SVTH: NGUYỄN TRƯỜNG LONG MSSV:15341019

-

ĐỀ TÀI:

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY ĐO NHỊP TIM GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH

ThS Nguyễn Thanh Nghĩa SVTH:

MSSV: 15341019 GVHD:

Nguyễn Trường Long

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH o0o

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: Nguyễn Trường Long MSSV: 15341019

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử truyền thông

Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: K15341

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY ĐO NHỊP TIM GIAO TIẾP VỚI

MÁY TÍNH

II NHIỆM VỤ

1 Các số liệu ban đầu:

- Hệ thống theo dõi nhịp tim giao tiếp với máy tính qua giao thức serial

- Sử dụng bộ xử lý chính là board Arduino Uno R3

- Module cảm biến được sử dụng là AD8232, module chuyên dụng để theo dõi tín hiệu điện tim, sử dụng nguồn từ ngõ ra 3,3V của Arduino

2 Nội dung thực hiện:

- Tìm hiểu về hoạt động của tim, nguyên tắc tạo ra tín hiệu điện tim, chuyển đạo, các

vị trí đặt các điện cực trên cơ thể để thu được tín hiệu điện tim

- Lựa chọn phần cứng, nghiên cứu, phân tích nguyên tắc hoạt động của từng khối để xây dựng mô hình hoàn chỉnh cho hệ thống

- Lập trình giao tiếp và xử lý tín hiệu trên Arduino bằng phần mềm Arduino IDE và thiết kế giao diện điều khiển cho hệ thống bằng phần mềm Visual C#

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 03/10/2017

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/01/2018

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS Nguyễn Thanh Nghĩa

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH o0o

Tên đề tài: Thiết kế và thi công máy đo nhịp tim giao tiếp với máy tính

Phân tích yêu cầu hệ thống, tìm hiểu cơ

sở lý thuyết về tín hiệu điện tim, các thành phần sóng, cách đo điện tim

Tuần 5, 6, 7

30/10/2017 – 19/11/2017

Lựa chọn phần cứng, tìm hiểu lý thuyết

về board Arduino, module AD8232, cách kết nối, nguyên lý hoạt động của từng thành phần trong hệ thống

Em xin cam đoan đồ án này tổng quát lại kết quả quá trình nghiên cứu của em Các số liệu, hình ảnh, thông tin trong đồ án đều trung thực, do em tìm hiểu, tham khảo từ nhiều nguồn tư liệu Đồ án này không sao chép các đồ án đã có từ trước Trong luận văn này, em đã sử dụng một số tài liệu tham khảo được liệt kê trong danh mục Tài liệu tham khảo

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung đề tài của mình Trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do em gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có)

Người thực hiện đề tài

Nguyễn Trường Long

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Thầy Nguyễn Thanh Nghĩa Thầy đã tận tình hướng dẫn, góp ý định hướng, tạo mọi điều kiện cho

em trong suốt quá trình thực hiện đề tài tốt nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn đến tất cả các thầy cô Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM, những kiến thức và kinh nghiệm quý báu mà

em nhận được từ thầy cô trong suốt quá trình theo học sẽ là hành trang tốt nhất giúp

em vững bước trong sự nghiệp của mình

Em xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật

Tp HCM đã tạo điều kiện cho chúng em làm đồ án này

Cuối cùng, Em xin gửi những lời tri ân đến gia đình, bạn bè, những người thần yêu nhất luôn quan tâm và tạo điều kiện tốt nhất cho em trong suốt quá trình học tập

Người thực hiện đề tài

Nguyễn Trường Long

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iii

LỜI CAM ĐOAN iv

LỜI CẢM ƠN v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG viii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU 2

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2

1.4 GIỚI HẠN 2

1.5 BỐ CỤC 2

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 LÝ THUYẾT TÍN HIỆU ĐIỆN TIM 4

2.1.1 Cấu trúc giải phẫu và chức năng của tim 4

2.1.2 Quá trình hình thành tín hiệu điện tim 5

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP THEO DÕI NHỊP TIM 7

2.2.1 Khảo sát một số phương pháp đo nhịp tim hiện có 7

2.2.2 Phương pháp đo điện tim 9

2.3 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 17

2.3.1 Arduino 17

2.3.2 Module cảm biến AD8232 23

2.3.3 Khối nguồn 24

2.3.4 Phần mềm lập trình 29

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐO ĐIỆN TIM 39

3.1 GIỚI THIỆU 39

3.2 PHÂN TÍCH SƠ ĐỒ KHỐI 40

3.2.1 Phân tích sơ đồ khối 40

3.2.2 Thiết kế mạch 41

3.3 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 48

3.4 GIAO DIỆN PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN 50

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ 51

4.1 MỘT SỐ HÌNH ẢNH PHẦN CỨNG SẢN PHẨM 51

4.2 ƯU ĐIỂM VÀ HẠN CHẾ 51

4.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 52

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN - HƯỚNG PHÁT TRIỂN 53

5.1 KẾT LUẬN 53

5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

PHỤ LỤC 55

DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG Hình Trang

Hình 2.1: Cấu tạo tim người 4

Hình 2.2: Hệ thống dẫn truyền tim 5

Hình 2.3: Khử cực tâm nhĩ và sự hình thành sóng P 5

Hình 2.4: Khử cực vách liên thất và sự hình thành sóng Q 6

Hình 2.5: Khử cực ở tâm thất và sự hình thành sóng R, S 6

Hình 2.6: Tái cực tâm thất và sự hình thành sóng T 7

Hình 2.7: Cách đo thủ công bằng tay 8

Hình 2.8: Đo nhịp tim bằng ống nghe 8

Hình 2.9: Đo bằng quang học 9

Hình 2.10: Điện tâm đồ 10

Hình 2.11: Willem Einthoven và máy ghi điện tâm đồ đầu tiên 10

Hình 2.12: Tín hiệu ECG chuẩn 11

Hình 2.13: Sơ đồ mắc các chuyển đạo mẫu 12

Hình 2.14: Tam giác Einthoven 13

Hình 2.15: Cách đấu cực trung tâm và mắc một chuyển đạo đơn cực chi 14

Hình 2.16: Sơ đồ mắc các chuyển đạo đơn cực các chi tăng cường 15

Hình 2.17: Vị trí đặt điện cực thăm dò của 6 chuyển đạo trước tim 15

Hình 2.18: Mặt phẳng nằm ngang với các trục chuyển đạo 16

Hình 2.19: Board Arduino Mega2560 19

Hình 2.20: Board Arduino Due 19

Hình 2.21: Board Arduino Nano 19

Hình 2.22: Board Arduino Pro Mini 20

Hình 2.23: Board Arduino Uno R3 20

Hình 2.24: Vị trí các chân nguồn trên board Arduino Uno R3 21

Hình 2.25: Chức năng các chân của Arduino Uno R3 22

Hình 2.26: Module cảm biến đo nhịp tim AD8232 23

Hình 2.27: Sơ đồ kết nối Arduino và module AD8232 24

Hình 2.28: Sơ đồ khối bộ nguồn hoàn chỉnh 24

Hình 2.29: Ký hiệu biến áp nguồn 25

Hình 2.30: Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ 26

Hình 2.31: Mạch chỉnh lưu cầu 27

Hình 2.32: Chỉnh lưu điện áp ra hai cực tính 28

Hình 2.33: Giao diện phần mền arduino IDE 29

Hình 2.34: Vùng giao diện phần mền arduino IDE 30

Hình 2.35: Các lệnh trên thanh công cụ của phần mền Ardunio IDE 31

Hình 2.36: Chương trình mẫu của arduino IDE 31

Hình 2.37: Vùng thông báo của arduino IDE 32

Hình 2.38: Giao diện phần mềm C# 35

Hình 2.39: Giao diện cài đặt chương trình C# 35

Hình 2.40: Giao diện khi khởi động chương trình 36

Hình 2.41: Tạo project mới trên Visual C# 36

Hình 2.42: Giao diện của Window Form Application 37

Hình 2.43: Các công cụ hỗ trợ thiết kế giao diện trong Visual C# 38

Hình 3.1: Mô hình tổng quan của đề tài 39

Hình 3.2: Sơ đồ kết nối cảm biến AD8232 để đo tín hiệu điện tim 39

Hình 3.3: Sơ đồ khối hệ thống 40

Hình 3.4: Sơ đồ khối của một bộ nguồn hoàn chỉnh 41

Hình 3.5: IC ổn áp LM317 42

Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý IC LM317 43

Hình 3.7: Sơ đồ ổn áp dùng LM317 43

Hình 3.8: Khối phân áp 47

Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh cho mạch nguồn 48

Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý Board Arduino Uno R3 48

Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến đo nhịp tim AD8232 49

Hình 3.12: Giao diện phần mềm thu thập và hiển thị tín hiệu điện tim 50

Hình 4.1: Phần cứng sản phẩm 51

Hình 4.2: Kết nối với máy tính 52

Hình 4.3: Dạng sóng đo được hiển thị trên phần mềm 52

Hình 5.1: Máy đo dạng sóng mini 53

Bảng Trang Bảng 2.1: Biên độ của các sóng thành phần trong tín hiệu ECG 11

Bảng 2.2: Khoảng thời gian giữa các sóng trong tín hiệu ECG 11

Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3 20

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, cùng với sự phát triền của đời sống kinh tế - xã hội cũng đặt ra cho chúng ta những thách thức về nguy cơ bệnh lý tăng cao, trong đó đặc biệt là các bệnh liên quan đến tim mạch, bệnh tim mạch đã và đang là vấn đề sức khoẻ được quan tâm hàng đầu trên thế giới với tỷ lệ tử vong và tàn phế đứng hàng đầu Ước tính của Tổ Chức Y Tế Thế Giới (WHO) cho thấy, hàng năm có khoảng 17 triệu người bị tử vong

do bệnh tim mạch

Theo Hội tim mạch Việt Nam, trong năm 2017 Việt Nam có 1/5 dân số mắc bệnh tim mạch và tăng huyết áp Đặc biệt, trong những năm gần đây, bệnh lý tăng huyết áp đang được trẻ hóa với rất nhiều đối tượng trong độ tuổi lao động Tại Việt Nam, tỷ lệ tăng huyết áp ở những người từ 25 tuổi trở lên chiếm 25,1%

Qua tài liệu khảo sát nghiên cứu của Viện Tim Mạch Việt Nam, năm 2000 có khoảng 16,3% người lớn bị tăng huyết áp thì năm 2009 tỷ lệ là 25,4% và đến năm

2016 thì đang ở con số báo động là 46%

Chúng ta hoàn toàn có thể chủ động phòng ngừa tích cực bệnh tim mạch và huyết áp bằng các biện pháp tưởng như đơn giản nhưng làm giảm đáng kể các nguy

cơ tim mạch như: tập thể dục đều hàng; chế độ ăn hợp lý, nhưng quan trọng nhất là phải thường xuyên kiểm tra, giám sát các chỉ số tim mạch, huyết áp Càng kiểm tra sớm thì nguy cơ mắc bệnh và phòng ngừa điều trị bệnh lý tim mạch càng được giải quyết hiệu quả hơn Ngoài việc đến bệnh viện để kiểm tra thì việc trang bị một máy

đo nhịp tim tại nhà để theo dõi sức khỏe cũng là một điều vô cùng cần thiết

Trên cơ sở đó, nhóm thực hiện đồ án đã hình thành ý tưởng thiết kế thiết bị đo nhịp tim để theo dõi và cảnh báo về tình trạng sức khỏe của bệnh nhân tim mạch Bên cạnh đó, vì đây là lĩnh vực khá mới mẻ với các thành viên trong nhóm nên chúng em

hy vọng sẽ học hỏi được nhiều điều mới để áp dụng cho công việc sau này Đối tượng

mà đồ án này hướng tới là những bệnh nhân tim mạch cần được theo dõi tình trạng hoạt động của tim một cách sát sao vậy nên nhóm thực hiện quyết định thiết kế và thi

công một thiết bị đo nhịp tim nhỏ gọn, có thể sử dụng trong gia đình với chi phí tiết kiệm nhất

1.2 MỤC TIÊU

- Thiết kế mạch đo nhịp tim

- Thi công, thử nghiệm thiết bị đo nhịp tim

- Thiết kế giao diện hiển thị trên máy tính hoặc màn hình LCD

- Thu thập được dữ liệu về hoạt động của tim để đưa ra cảnh báo cho người dùng

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Tìm hiểu thông tin cơ bản về tín hiệu nhịp tim (thành phần, biên độ)

- Thiết kế, lựa chọn phần cứng và thi công mạch xử lý tín hiệu

- Thiết kế và thi công mạch giao tiếp, hiển thị

- Viết chương trình xử lý tín hiệu

- Viết chương trình hiển thị trên máy tính

- Chạy thử nghiệm

- Viết sách luận văn

- Tiến hành báo cáo

1.4 GIỚI HẠN

- Hiển thị điện tâm đồ lên màn hình máy tính

- Giao tiếp máy tính qua cáp kết nối

- Tín hiệu điện tim chỉ được xử lí cơ bản cho hiển thị

- Chưa truyền nhận tín hiệu qua wifi

Chương này trình bày những lý thuyết liên quan đến đề tài, những nội dung này bao gồm: lý thuyết về tín hiệu điện tim, các phương pháp đo điện tim, lý thuyết về phần cứng như arduino, tìm hiểu về module cảm biến AD8232, nguồn điện sử dụng trong

đề tài,…

 Chương 3: Xây Dựng Và Thiết Kế Mô Hình Đo Điện Tim

Chương này trình bày các vấn đề liên quan đến quá trình thiết kế và tính toán để xây dựng đề tài, bao gồm giới thiệu tổng quan về các yêu cầu của đề tài, xây dựng sơ đồ khối cho hệ thống đo điện tim, phân tích sơ đồ, lựa chọn phần cứng, phần mềm cho

đề tài, tính toán thiết kế nên các khối nguồn, cảm biến,… trong hệ thống

 Chương 4: Thi Công Hệ Thống

Chương này trình bày quá trình thi công hệ thống, ráp và test mạch, đo thử nhịp tim trên nhiều người, chụp ảnh mô phỏng quá trình đo nhịp tim, hình ảnh điện tâm đồ thu được trên phần mềm, hình ảnh sản phẩm sau khi đóng gói

 Chương 5: Kết Quả - Nhận Xét – Đánh Giá

Nội dung chương này trình bày những kết quả đạt được sau thời gian nghiên cứu thực hiện đề tài, nguyên tắc hoạt động của module AD8232, cách kết nối Arduino với module bất kỳ, cách lập trình chỏ Arduino, C#, phân tích, đánh giá sai số của hệ thống

 Chương 6: Kết Luận - Hướng Phát Triển

Chương này cho thấy một cái nhìn tổng quan về hệ thống, những điều đã đạt được và chưa được so với mục tiêu ban đầu của đề tài được nêu ra ở chương 1, dựa vào những kết quả này để đưa ra hướng phát triển hệ thống trong tương lai

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 LÝ THUYẾT TÍN HIỆU ĐIỆN TIM

2.1.1 Cấu trúc giải phẫu và chức năng của tim

Hình 2.1: Cấu tạo tim người Tim là một tổ chức cơ rỗng gồm 4 buồng Bên ngoài được bao bọc bởi một túi sợi gọi là bao tim, bên trong được cấu tạo bằng cơ tim có vách ngăn chia tim thành hai nửa riêng biệt gọi là tim trái và tim phải Tim trái bơm máu ra ngoại vi, còn tim phải bơm máu lên phổi Mỗi nửa tim lại được chia ra thành hai buồng, buồng trên là tâm nhĩ có thành mỏng làm nhiệm vụ chứa máu, buồng dưới là tâm thất có thành dày, khối cơ lớn giúp cung cấp lực đẩy máu đi đến các bộ phận Giữa tâm nhĩ và tâm thất có van nhĩ thất, giữa tâm thất trái và động mạch chủ, tâm thất phải và động mạch phổi có van bán nguyệt Các van này đảm bảo cho máu chỉ di chuyển theo một chiều từ tâm nhĩ xuống tâm thất, từ tâm thất xuống động mạch chứ không cho

đi ngược lại, nhờ vậy đảm bảo được sự tuần hoàn máu

Ngoài ra, tim còn có một cấu trúc đặc biệt thực hiện chức năng phát và dẫn truyền xung được gọi là hệ dẫn truyền Hệ thống dẫn truyền gồm:

- Nút xoang nhĩ (SAN): là nút tạo nhịp cho toàn bộ trái tim, nằm ở cơ tâm nhĩ phải, phát xung với tần số khoảng 120 lần/phút

- Các đường liên nút: nằm ở giữa nút xoang nhĩ và nút nhĩ thất, thực hiện chức năng dẫn truyền các xung động giữa nút xoang nhĩ và nút nhĩ thất

- Nút nhĩ thất (AVN): nằm ở bên phải vách liên nhĩ, giữ nhiệm vụ làm chậm dẫn truyền trước khi các xung động được truyền xuống thất với tần số khoảng 50-60 lần/phút

- Bó His: bắt đầu từ nút nhĩ thất đến vách liên thất thì chia thành hai nhánh trái

và phải chạy dưới nội tâm mạc hai thất để dẫn truyền xung động đến hai thất, tại đây, chúng phân nhánh thành mạng Purkinje chạy giữa các sợi cơ tim giúp dẫn truyền xung động xuyên qua các thành của thất Bó His phát xung khoảng 30-40 lần/phút

Hình 2.2: Hệ thống dẫn truyền tim

2.1.2 Quá trình hình thành tín hiệu điện tim

a) Nhĩ đồ

Hình 2.3: Khử cực tâm nhĩ và sự hình thành sóng P Tim hoạt động được nhờ vào một xung động truyền qua một hệ thống thần kinh tự kích của tim Đầu tiên, nút xoang nhĩ sẽ phát xung tự động, xung động tỏa

ra làm cơ nhĩ khử cực trước Sóng khử cực có hướng chung là từ trên xuống dưới,

từ phải sang trái và hợp với phương ngang một góc 490 Đợt sóng này được máy ghi điện tim ghi lại với dạng một sóng dương, đơn, thấp, nhỏ và có biên độ khoảng

Hình 2.5: Khử cực ở tâm thất và sự hình thành sóng R, S Xung tiếp tục truyền xuống và tiến hành khử cực đồng thời cả hai tâm thất theo hướng xuyên qua bề mặt dày cơ tim, từ dưới nội tâm mạc ra dưới thượng tâm mạc Vectơ khử cực hướng từ phải sang trái và máy ghi nhận được một làn sóng dương,

cao và nhọn gọi là sóng R Sau cùng, xung động truyền xuống và khử cực vùng đáy thất Vectơ khử cực hướng từ trái sang phải, máy sẽ ghi nhận được một sóng âm, nhỏ

và nhọn gọi là sóng S

Hình 2.6: Tái cực tâm thất và sự hình thành sóng T Sau khi thất khử cực xong sẽ qua thời kỳ tái cực chậm Giai đoạn này được thể hiện trên điện tâm đồ bằng một đường đẳng điện gọi là đoạn S – T Sau đó là thời kỳ tái cực nhanh tạo nên sóng T Tái cực có hướng xuyên qua cơ tim, từ lớp dưới thượng tâm mạc vào lớp dưới nội tâm mạc Vectơ tái cực có hướng từ trên xuống dưới và từ phải sang trái tạo ra một sóng dương, thấp, không đối xứng mà có sườn lên thoai thoải hơn và sườn xuống dốc đứng hơn gọi là sóng T Sau khi kết thúc sóng T còn có thể thấy được một sóng chậm nhỏ gọi là sóng U đặc trưng cho giai đoạn tái cực muộn

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP THEO DÕI NHỊP TIM

2.2.1 Khảo sát một số phương pháp đo nhịp tim hiện có

Có rất nhiều phương pháp để đo và xác định nhịp tim khác nhau hiện nay trong

và ngoài nước Nhìn chung các phương pháp đo là giống nhau, chỉ khác nhau ở hình

thức đo và được chia làm ba phương pháp là: thủ công, xâm lấn, không xâm lấn

Phương pháp 1: Phương pháp thủ công

Đo nhịp tim bằng nhấn ngón tay: Sử dụng măt trong của 2 ngón tay áp sát vào mặt trong của cổ tay bên kia - chỗ có những nếp gấp cổ tay (hai tay ngược nhau) Bấm nhẹ vào đó cho đến khi cảm thấy nhịp đập Nếu cần thiết, có thể di chuyển ngón tay xung quanh đó cho đến khi bạn cảm thấy nhịp đập Sau đó dùng đồng hồ để xác định số nhịp tim Hoặc đặt 2 ngón tay vào một bên cổ nơi giao nhau giữa khí quản và các cơ lớn ở cổ Bấm nhẹ cho đến khi bạn cảm thấy nhịp đập

Hình 2.7: Cách đo nhịp tim thủ công bằng tay

Đo nhịp tim bằng dùng ống nghe: đeo tai nghe và kiểm tra ống nghe, mùa đông cần xoa làm ấm loa nghe trước khi nghe Đặt ống nghe lên các vị trí nghe tim, mỗi lần đặt ống nghe 10 -20 giây Sau đó dùng đồng hồ để xác định số nhịp tim

Hình 2.8: Đo nhịp tim bằng ống nghe

Nhận xét: là phương pháp phổ biến,đơn giản, dễ đo Chi phí khi đo không đáng

kể Kết quả đo có độ chính xác phụ thuộc vào người đo, có sự sai sót do chênh lệch thời gian đếm của người đo và đồng hồ đếm thời gian Tốn nhiều thời gian, công sức

để đo

Phương pháp 2: Phương pháp đo nhịp tim bằng quang học

Khi tim đập, máu sẽ được dồn đi khắp cơ thể qua động mạch, tạo ra sự thay đổi

về áp suất trên thành động mạch và lượng máu chảy qua động mạch Vì thế ta có thể

đo nhịp tim bằng cách đo những sự thay đổi đó Khi lượng máu trong thành động mạch thay đổi sẽ làm thay đổi mức hấp thụ ánh sáng của động mạch, do đó khi một

tia sáng được truyền qua động mạch thì cường độ ánh sáng sau khi truyền qua sẽ biến thiên đồng bộ với nhịp tim Khi nhịp tim giãn ra, lượng máu qua động mạch nhỏ nên hấp thụ ít ánh sáng, ánh sáng sau khi truyền qua động mạch có cường độ lớn, ngược lại khi tim co vào, lượng máu qua động mạch lớn hơn, ánh sáng sau khi truyền qua động mạch sẽ có cường độ nhỏ hơn.Ánh sáng sau khi truyền qua ngón tay gồm hai thành phần AC và DC:

- Thành phần DC đặc trưng cho cường độ ánh sáng cố định truyền qua mô, xương và tĩnh mạch

- Thành phần AC đặc trưng cho cường độ ánh sáng thay đổi khi lượng máu thay đổi truyền qua động mạch, tần số của tín hiệu này đồng bộ với tần số của nhịp tim

Hình 2.9: Đo nhịp tim bằng quang học

Nhận xét: đơn giản, dễ sử dụng, thiết bị gọn nhẹ, sử dụng thoải mái, không gây

khó chịu, thời gian đo nhanh Phương pháp này có sai số khá cao, khoảng 15%, không thích hợp để theo dõi bệnh nhân trong thời gian dài

Hiện tại, hai phương pháp trên được sử dụng khá phổ biến, tuy nhiên do yêu cầu

về độ chính xác và theo mục tiêu ban đầu của đề tài là thu thập dữ liệu về nhịp tim của người dùng trong một thời gian nhất định để đưa ra những cảnh báo kịp thời về tình trạng sức khỏe, nhóm đã quyết định chọn phương pháp đo điện tim - ECG

2.2.2 Phương pháp đo điện tim

a) Giới thiệu về điện tim và lịch sử nghiên cứu điện tâm đồ

Điện tim là một thử nghiệm không xâm lấn, không gây đau đớn giúp các bác sĩ

có thể chẩn đoán được những vấn đề bất thường của tim Trong y học, người ta thường

sử dụng máy điện tim để phát hiện các bệnh về tim như rối loạn nhịp tim, suy tim, nhồi máu cơ tim, chẩn đoán một số thay đổi, rối loạn về tim nói chung

Đo điện tim cũng còn được gọi là đo điện tâm đồ (tên viết tắt là EKG hoặc ECG)

Đo điện tim là một khảo sát cơ bản giúp ghi lại những hoạt động điện học của cơ tim Theo đó, cùng với mỗi nhịp đập của tim, các tín hiệu điện sẽ di chuyển và lan truyền từ đỉnh đến đáy tim, quy định tần số đập của tim Quá trình di chuyển làm co tim và bơm máu đi và tiến trình này sẽ lập lại theo mỗi nhịp đập của tim

Hình 2.10: Điện tâm đồ Tín hiệu ECG ghi lại những họat động mang tính chất điện của tim Tín hiệu ECG được gọi là bình thường (trạng thái tim họat động bình thường) bao gồm năm đỉnh lồi, lõm được gán bởi năm chữ cái là P, Q, R, S và T

Hình 2.11: Willem Einthoven và máy ghi điện tâm đồ đầu tiên

Trên thế giới, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về tín hiệu điện tim từ rất sớm Năm 1787, L Galvani đã nhận thấy sự co cơ đùi của con ếch khi bị phóng điện,

từ đó, ông đưa ra giả thuyết về dòng điện trong động vật và đặt nền tảng ban đầu cho nghiên cứu về tín hiệu điện tim Năm 1887 – 1888, Augustus Desiree Waller ghi nhận điện thế tương ứng với nhịp đập của tim trên bề mặt cơ thể người Năm 1934, Frank Wilson đưa ra các đạo trình lấy ý tưởng từ tam giác “Eithoven” Sau đó, các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu nhằm hoàn thiện và phát triển lý thuyết về tín hiệu điện tim

b) Phương pháp ghi điện tâm đồ:

Hình 2.12: Tín hiệu ECG chuẩn

Cách ghi các đường cong trong điện tâm đồ được thực hiện bằng cách cho dòng điện tim tác động lên một bút bi làm bút này dao động qua lại và

vẽ lên một mặt giấy Mặt giấy được động cơ kéo chuyển động đều với một vận tốc xác định để cập nhật tín hiệu điện tâm đồ theo thời gian

Tín hiệu ECG bình thường có dải tần số từ 0,05 đến 100Hz Đây là dải tần số dùng cho ứng dụng chẩn đoán các bệnh về tim mạch

Bảng 2.1: Biên độ của các sóng thành phần trong tín hiệu ECG

Sóng thành phần trong tín hiệu ECG Biên độ (mV)

Sóng P Sóng R Sóng Q Sóng T

0,25 1,6 0,4 0,1 ÷ 0,5 Bảng 2.2: Khoảng thời gian giữa các sóng trong tín hiệu ECG

Sóng thành phần trong tín hiệu ECG Khoảng thời gian giữa các sóng (S)

P-R Q-T S-T Sóng P Sóng phức QRS

0,12 ÷ 0,2 0,35 ÷ 0,44 0,05 ÷ 0,15 0,05 ÷ 0,11 0,05 ÷ 0,09

c) Chuyển đạo

Cơ thể con người là một môi trường dẫn điện; vì thế, dòng điện do tim phát ra được dẫn truyền khắp cơ thể, ra tới da, biến cơ thể thành một điện trường của tim Nếu ta đặt hai điện cực lên bất cứ hai điểm nào đó có điện thế khác nhau của điện trường đó, ta sẽ thu được một dòng điện thể hiện hiệu thế giữa hai điểm đó và gọi là một chuyển đạo hay đạo trình (lead) Nó hiện ra trên máy ghi bằng một đường cong điện tâm đồ có một hình dạng nào đó tùy theo địa điểm đặt các điện cực Đường thẳng nối hai địa điểm đặt điện cực trên cơ thể gọi là trục chuyển đạo

d) Các chuyển đạo thông dụng

Cho đến nay, người ta cho rằng, ở đại đa số các ca, nên đặt điện cực theo 12 cách, thu lấy 12 chuyển đạo thông dụng bao gồm 3 chuyển đạo mẫu, 3 chuyển đạo đơn cực chi và 6 chuyển đạo trước tim Ở mỗi chuyển đạo sẽ có một hình dạng sóng điện tâm đồ khác nhau, cũng như hình ảnh ta nhìn thấy được khi đứng ở 12 góc độ khác nhau xung quanh một vật có hình dạng gồ ghề, phức tạp

Các chuyển đạo mẫu

Các chuyển đạo mẫu (Standard) là những chuyển đạo được nghiên cứu sớm nhất, ngay từ thời Einthoven, chúng còn được gọi là các chuyển đạo lưỡng cực các chi (bipolar limb leads) hay các chuyển đạo lưỡng cực ngoại biên (bipolar peripheral leads) vì cả hai điện cực của chúng đều là những điện cực thăm dò, được đặt như sau:

Hình 2.13: Sơ đồ mắc các chuyển đạo mẫu

 Điện cực âm ở cổ tay phải, điện cực dương ở cổ tay trái, gọi đó là chuyển đạo I, viết tắt là D1

Điện cực đặt ở cổ tay phản ảnh điện thế ở vai phải và vai trái (trong điện trường tim) là những chỗ khó gắn điện cực, còn hai cánh tay chỉ làm nhiệm vụ hai dây dẫn điện Do đó, trục chuyển đạo sẽ là một đường thẳng nối từ vai phải (R) sang vai trái (L)

Theo cách mắc như trên, khi điện cực tay trái dương tính tương đối thì máy điện tâm đồ sẽ ghi một làn sóng dương, còn khi điện cực tay phải dương tính tương đối thì máy sẽ ghi một làn sóng âm Với điều kiện như thế, ta gọi chiều dương của trục chuyển đạo là chiều từ vai phải sang vai trái

 Điện cực âm đặt ở cổ tay phải, điện cực dương đặt ở cổ chân trái, gọi đó là chuyển đạo 2, viết tắt là D2 Như thế, trục chuyển đạo ở đây sẽ là một đường thẳng đi từ vai phải (R) xuống gốc chân trái (F) và chiều dương là chiều từ R đến F

Hình 2.14: Tam giác Einthoven

 Điện cực âm đặt ở tay trái, và điện cực dương ở chân trái gọi đó là chuyển đạo

3, viết tắt là D3 Như thế, trục chuyển đạo sẽ là đường thẳng LF và chiều dương là chiều từ L đến F Các trục chuyển đạo RL, RF, và LF của D1, D2, D3 lập thành 3 cạnh của một hình tam giác, có thể coi như tam giác đều với mỗi góc bằng 600 gọi là “tam giác Einthoven

Các chuyển đạo đơn cực các chi

Như trên đã thấy, các chuyển đạo mẫu đều có hai điện cực thăm dò để ghi hiệu thế giữa 2 điểm của điện trường tim Nhưng khi muốn nghiên cứu điện thế riêng biệt của mỗi điểm thì ta phải biến một điện cực thành ra trung tính Muốn như vậy, người

ta nối điện cực đó (điện cực âm) ra một cực trung tâm gọi tắt là CT (central terminal)

có điện thế bằng 0 (trung tính) vì nó là tâm của một mạch điện hình sao mắc vào 3

đỉnh của tam giác Einthoven (Wilson) Còn điện cực thăm dò còn lại (điện cực dương) thì đem đặt lên vùng cần thăm dò: ta gọi đó là một chuyển đạo đơn cực

Khi điện cực thăm dò này được đặt ở một chi thì ta gọi đó là một chuyển đạo đơn cực chi Thường, người ta đặt nó ở 3 vị trí như sau:

 Cổ tay phải: ta được chuyển đạo VR (V: voltage; R: right) Nó thu được điện thế

ở mé bên phải và đáy tim và từ đáy tim mà “nhìn” thẳng được vào trong buồng hai tâm thất Trục chuyển đạo của nó là đường thẳng nối tâm điểm (O) ra vai phải

 Cổ tay trái: ta được chuyển đạo VL, nó nghiên cứu điện thế đáy thất trái Trục chuyển đạo ở đây là đường thẳng OL

 Cổ chân trái: ta được chuyển đạo VF, nó là chuyển đạo độc nhất “nhìn” thấy được thành sau dưới của tim Trục chuyển đạo là đường thẳng OF

Hình 2.15: Cách đấu cực trung tâm và mắc một chuyển đạo đơn cực chi Năm 1947, Goldberger đem cải tiến ba chuyển đạo trên bằng cách cắt bỏ cánh sao nối với chi có đặt điện cực thăm dò, làm cho các sóng điện tim của các chuyển đạo đó tăng biên độ lên gấp rưỡi mà vẫn giữ được hình dạng như cũ: người ta gọi đó

là những chuyển đạo đơn cực các chi tăng cường, kí hiệu là aVR, aVL, aVF ngày nay thông dụng hơn các chuyển đạo VR, VL, VF

Nhìn chung, các trục chuyển đạo (OR, OL, OF) của các chuyển đạo đơn cực các chi chính là ba đường phân giác trong của tam giác Einthoven

Tất cả 6 chuyển đạo: D1, D2, D3, aVR, aVL, aVF được gọi chung là các chuyển đạo ngoại biên vì đều có điện cực thăm dò đặt ở các chi Chúng hỗ trợ cho nhau dò

xét các rối loạn của dòng điện tim thể hiện ở bốn phía xung quanh quả tim trên mặt phẳng chắn (frontal plane)

Hình 2.16: Sơ đồ mắc các chuyển đạo đơn cực các chi tăng cường

Các chuyển đạo trước tim

Người ta thường ghi đồng loạt cho bệnh nhân 6 chuyển đạo trước tim thông dụng nhất, kí hiệu bằng chữ V (voltage) kèm theo các chỉ số từ 1 đến 6 Đó là những chuyển đạo đơn cực, có một điện cực trung tính nối vào cực trung tâm (CT) và một điện cực thăm dò, được đặt lần lượt trên 6 điểm ở vùng trước tim sau đây

Hình 2.17: Vị trí đặt điện cực thăm

dò của 6 chuyển đạo trước tim

 V1: khoảng liên sườn 4 bên phải sát bờ xương ức

 V2: khoảng liên sườn 4 bên trái, sát bờ xương ức

 V3: điểm giữa đường thẳng nối V2 với V4

 V4: giao điểm của đường dọc đi qua điểm giữa xương đòn trái với đường ngang đi qua mỏm tim

 V5: giao điểm của đường nách trước với đường ngang đi qua V4

 V6: giao điểm đường nách giữa với đường ngang đi qua V4, V5

Như vậy, trục chuyển đạo của chúng sẽ là những đường thẳng hướng từ tâm điểm điện của tim (điểm O) tới các vị trí của điện cực tương ứng (Hình 16), các trục

đó nằm trên những mặt phẳng nằm ngang hay gần ngang

Hình 2.18: mặt phẳng nằm ngang với các trục chuyển đạo

Đứng về mặt giải phẫu học mà nói, V1 và V2 coi như có điện cực thăm dò đặt trùng lên vùng thành ngực ở sát ngay trên mặt thất phải và gần khối tâm nhĩ, do đó chúng có khả năng chẩn đoán được các rối loạn điện học của thất phải và khối tâm nhĩ một cách rõ rệt hơn cả

Người ta gọi V1, V2 là các chuyển đạo trước tim phải Cũng vì lẽ đó, V5, V6 ở thành ngực sát trên thất trái, được gọi là các chuyển đạo trước tim trái Còn các chuyển đạo V3, V4 ở khu vực trung gian giữa 2 thất, ngay trên vách liên thất nên được gọi là các chuyển đạo trung gian Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp bệnh lí và tùy từng người, tư thế tim trong lồng ngực có thể khác nhau làm cho sự liên quan giữa điện cực và các tâm thất không đúng hẳn như thế nữa

e) Nguồn gây nhiễu tín hiệu điện tim

Các tín hiệu ECG thường trong khoảng milivolt, do đó rất dễ bị các tín hiệu khác xen vào từ nhiều nguồn khác nhau gây ra nhiễu Các nguồn gây nhiễu phổ biến nhất là:

 Mạng điện cung cấp: nhiễu từ các tần số trong khoảng 50-60 Hz của nguồn điện sử dụng

 Sóng điện từ từ các thiết bị điện và điện tử như dây điện, ăng-ten, các thiết

bị điện tử khác,… thường ở tần số cao

 Nhiễu từ các nguồn có tần số thấp

 Điện cực tiếp xúc: nhiễu do tiếp xúc giữa điện cực và bệnh nhân không tốt gây ra trôi đường nền

 Cử động của bệnh nhân gây ra nhiễu

 Nhiễu do sóng cơ của bệnh nhân: các tín hiệu điện cơ (EMG) được tạo ra trộn lẫn với các tín hiệu ECG

 Hô hấp cũng tạo ra nhiễu cho tín hiệu ECG

2.3 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG

2.3.1 Arduino

Arduino là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết

bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và lập trình

Khả năng của bo mạch Arduino

Bo mạch Arduino sử dụng dòng vi xử lý 8-bit megaAVR của Atmel với hai chip phổ biến nhất là ATmega328 và ATmega2560 Các dòng vi xử lý này cho phép lập trình các ứng dụng điều khiển phức tạp do được trang bị cấu hình mạnh với các loại

bộ nhớ ROM, RAM và Flash, các ngõ vào ra digital I/O trong đó có nhiều ngõ có khả năng xuất tín hiệu PWM, các ngõ đọc tín hiệu analog và các chuẩn giao tiếp đa dạng như UART, SPI, TWI (I2C)

Đọc tín hiệu cảm biến ngõ vào:

Digital: Các bo mạch Arduino đều có các cổng digital có thể cấu hình làm ngõ

vào hoặc ngõ ra bằng phần mềm Do đó người dùng có thể linh hoạt quyết định số lượng ngõ vào và ngõ ra Tổng số lượng cổng digital trên các mạch dùng Atmega328

là 14, và trên Atmega2560 là 54

Analog: Các bo mạch Arduino đều có trang bị các ngõ vào analog với độ phân

giải 10-bit (1024 phân mức, ví dụ với điện áp chuẩn là 5V thì độ phân giải khoảng 0.5mV) Số lượng cổng vào analog là 6 đối với Atmega328, và 16 đối với

Atmega2560 Với tính năng đọc analog, người dùng có thể đọc nhiều loại cảm biến như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, ánh sáng, gyro, accelerometer…

Xuất tín hiệu điều khiển ngõ ra:

Digital output

Tương tự như các cổng vào digital, người dùng có thể cấu hình trên phần mềm

để quyết định dùng ngõ digital nào là ngõ ra Tổng số lượng cổng digital trên các mạch dùng Atmega328 là 14, và trên Atmega2560 là 54

PWM output

Trong số các cổng digital, người dùng có thể chọn một số cổng dùng để xuất

tín hiệu điều chế xung PWM Độ phân giải của các tín hiệu PWM này là 8-bit Số lượng cổng PWM đối với các bo dùng Atmega328 là 6, và đối với các bo dùng Atmega2560 là 14 PWM có nhiều ứng dụng trong viễn thông, xử lý âm thanh hoặc điều khiển động cơ mà phổ biến nhất là động cơ servos trong các máy bay mô hình

Các chuẩn giao tiếp

Serial

Đây là chuẩn giao tiếp nối tiếp được dùng rất phổ biến trên các bo mạch Arduino Mỗi bo có trang bị một số cổng Serial cứng (việc giao tiếp do phần cứng trong chip thực hiện) Bên cạnh đó, tất cả các cổng digital còn lại đều có thể thực hiện giao tiếp nối tiếp bằng phần mềm (có thư viện chuẩn, người dùng không cần phải viết code) Mức tín hiệu của các cổng này là TTL 5V Lưu ý cổng nối tiếp RS-232 trên các thiết bị hoặc PC có mức tín hiệu là UART 12V Để giao tiếp được giữa hai mức tín hiệu, cần phải có bộ chuyển mức, ví dụ như chip MAX232 Số lượng cổng Serial cứng của Atmega328 là 1 và của Atmega2560 là 4 Với tính năng giao tiếp nối tiếp, các bo Arduino có thể giao tiếp được với rất nhiều thiết bị như PC, touchscreen, các game console…

USB:

Các bo Arduino tiêu chuẩn đều có trang bị một cổng USB để thực hiện kết nối với máy tính dùng cho việc tải chương trình Tuy nhiên các chip AVR không có cổng USB, do đó các bo Ardunino phải trang bị thêm phần chuyển đổi từ USB thành tín hiệu UART Do đó máy tính nhận diện cổng USB này là cổng COM chứ không phải

là cổng USB tiêu chuẩn

SPI

Đây là một chuẩn giao tiếp nối tiếp đồng bộ có bus gồm có 4 dây Với tính năng này các bo Arduino có thể kết nối với các thiết bị như LCD, bộ điều khiển video game, bộ điều khiển cảm biến các loại, đọc thẻ nhớ SD và MMC…

TWI (I2C)

Đây là một chuẩn giao tiếp đồng bộ khác nhưng bus chỉ có hai dây Với tính năng này, các bo Arduino có thể giao tiếp với một số loại cảm biến như thermostat của CPU, tốc độ quạt, một số màn hình OLED/LCD, đọc real-time clock, chỉnh âm lượng cho một số loại loa…

Điện áp đầu vào (khuyên dùng) 7-12V

Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-20V

Các chân nguồn

Hình 2.24: Vị trí các chân nguồn trên board Arduino Uno R3

- GND: Khi dùng các ứng dụng sử dụng nguồn điện riêng hoặc nhiều nguồn thì

phải nối những chân GND này với nhau

- 5V: Đầu ra điện áp 5V, lưu ý là dòng tối đa cho phép cấp ở chân này là 0.5A

- 3.3V: Đầu ra điện áp 3.3V Dòng tối đa cho phép cấp ở chân này là 0.05A

- Vin (Voltage Input): Cấp nguồn ngoài cho kit Arduino Khi kết nối, tiến hành

nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

- IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO Có thể dùng

đồng hồ đo được ở chân này Chân này không được sử dụng để cấp nguồn cho nơi khác

- RESET: Chân reset sẽ được nối với nút bấm Khi nhấn nút Reset, kit sẽ reset

vi điều khiển Nguyên lý là chân RESET sẽ được nối với Ground qua 1 điện trở 10KΩ

Vi điều khiển

Arduino UNO sử dụng 3 vi điều khiển chính thuộc họ 8bit AVR là ATmega328, ATmega168, ATmega8 Với 3 dòng VDK này, mạch có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển nhấp nháy đèn LED, thiết lập ứng dụng đo độ ẩm - nhiệt độ sau

đó truyền và hiển thị lên LCD, tiếp nhận và xử lí tín hiệu cho ứng dụng điều khiển xe

từ xa

Bộ nhớ

- 32KB bộ nhớ Flash: Đây là nơi lưu trữ những đoạn lệnh lập trình Những ứng

dụng thông thường sẽ dành vài KB trong số này cho bootloader

- 2KB SRAM (Static Random Access Memory): Đây là nơi lưu những giá trị các

biến được khai báo khi lập trình Càng nhiều biến được khai báo thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM Dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất khi mất điện

- 1KB EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory):

Dùng để đọc và ghi dữ liệu, không bị mất khi mất điện

Các cổng vào/ra trên Arduino Uno R3

Nhìn hình ảnh dưới ta có thể thấy 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Mức điện áp logic là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up được thiết kế có sẵn trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối) Khi muốn dùng các điện trở pull

up này cần phải lập trình

Hình 2.25: Chức năng các chân của Arduino Uno R3 Ngoài ra, cần lưu ý một số chân dùng cho các giao tiếp cơ bản sau:

- 2 chân Serial: 1 và 0: dùng để nhận (RX) và gửi (TX) dữ liệu TTL Serial

- Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép băm xung PWM với độ phân

giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite()

- Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài các

chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác

- LED 13: trên board Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Đèn

sẽ nhấp nháy khi nhấn nút reset Đèn này được nối với chân số 13, được sử dụng để báo hiệu

- Analog Pin: 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0

→ 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V

- Giao tiếp I 2 C: 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác

2.3.2 Module cảm biến AD8232

Hình 2.26: Module cảm biến đo nhịp tim AD8232 Module cảm biến AD8232 là một board mạch được thiết kế sẵn để đo các tín hiệu điện tim, tín hiệu điện tim sau khi đo được có thể biểu diễn ở dạng đồ thị điện tâm đồ Thông thường tín hiệu điện tim rất nhỏ và dễ bị nhiễu nên module AD8232 được sử dụng như một bộ khuếch đại để giúp thu được các tín hiệu rõ nhất từ các khoảng PR và QT một cách rõ ràng

AD8232 là một mạch tích hợp dùng để điều chế tín hiệu ECG và một số ứng dụng đo lường sinh học khác Nó được thiết kế để chiết xuất, khuếch đại và lọc các tín hiệu điện sinh học nhỏ trong điều kiện nhiễu, được tạo ra bởi chuyển động của người bệnh hoặc nhiễu sinh ra do các thiết bị điện tử khác ở gần

Module AD8232 cung cấp 9 đường kết nối để người dùng có thể hàn thêm chân, nối dây hoặc dùng các phương thức khác Trong đó các chân SDN, LO-, LO+, OUTPUT, 3.3V, GND là những chân cần thiết để kết hợp module này với board

Arduino Trên board có các chân RA, LA, RL để kết nối với các điện cực gắn trên cơ thể người bệnh Ngoài ra còn có một đèn LED chớp tắt theo nhịp đập của tim

Hình 2.27: Sơ đồ kết nối Arduino và module AD8232

2.3.3 Khối nguồn

a) Khái niệm chung về nguồn một chiều

Nguồn một chiều có nhiệm vụ cung cấp năng lượng một chiều cho các mạch và các thiết bị điện tử hoạt động Năng lượng một chiều của nó tổng quát được lấy từ nguồn xoay chiều của lưới điện thông qua một quá trình biến đổi được thực hiện trong nguồn một chiều

Yêu cầu đối với loại nguồn này là điện áp ra ít phụ thuộc vào điện áp mạng, của tại và nhiệt độ Để đạt được yêu cầu đó cần phải dùng các mạch ổn định (ổn áp, ổn dòng) Các mạch cấp nguồn cổ điển thường dùng biến áp, nên kích thước và trọng lượng của nó khá lớn Ngày nay người ta có xu hướng dùng các mạch cấp nguồn không có biến áp

Sơ đồ khối của một bộ nguồn hoàn chỉnh được biểu diễn như sau:

Hình 2.28: Sơ đồ khối bộ nguồn hoàn chỉnh

Biến áp chỉnh lưu Mạch Bộ lọc

Bộ ổn áp một chiều (ổn dòng)

I T

R T

Chức năng của các khối như sau:

- Biến áp để biến đổi điện áp xoay chiều U1 thành điện áp xoay chiều U2 có giá trị thích hợp với yêu cầu Trong một số trường hợp có thể dùng trực tiếp U1 mà không cần biến áp

- Mạch chỉnh lưu có nhiệm vụ chuyển điện áp xoay chiều U2 thành điện áp một chiều không bằng phẳng UT (có giá trị thay đổi nhấp nhô) Sự thay đổi này phụ thuộc vào từng dạng mạch chỉnh lưu

- Bộ lọc có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều dập mạch UT thành điện áp một chiều UO1 ít nhấp nhô hơn

- Bộ ổn áp một chiều (ổn dòng) có nhiệm vụ ổn định điện áp (dòng điện) ở đầu

ra của nó UO2 (IT) khi UO1 thay đổi theo sự mất ổn định của UO1 hay IT Trong nhiều trường hợp nếu không có yêu cầu cao thì không cần bộ ổn áp hay ổn dòng một chiều Tùy theo điều kiện và yêu cầu cụ thể mà bộ chỉnh lưu có thể mắc theo những sơ

đồ khác nhau và dùng các van chỉnh khác nhau Bộ chỉnh lưu công suất vừa và lớn thường dùng mạch chỉnh lưu ba pha Dưới đây chúng ta sẽ đi khảo sát từng khối nêu trên trong bộ nguồn một chiều

b) Biến áp nguồn và chỉnh lưu

Biến áp nguồn

Biến áp nguồn làm nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều của mạng điện thành điện áp xoay chiều có trị số cần thiết đối với mạch chỉnh lưu và ngăn cách mạch chỉnh lưu với mạng điện xoay chiều về một chiều

Hình 2.29: Ký hiệu biến áp nguồn

ý, người ta dùng Thyristor để chỉnh lưu

Các sơ đồ chỉnh lưu thường gặp là chỉnh lưu nửa chu kỳ, sơ đồ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ, sơ đồ chỉnh lưu cầu mà trong đó sơ đồ chỉnh lưu cầu có nhiều ưu điểm hơn cả

Mạch chỉnh lưu phải có hiệu suất (tỷ số giữa công suất ra và công suất hữu ích

ở đầu vào) cao, ít phụ thuộc vào tải và độ gợn sóng của điện áp ra nhỏ

Sau đây ta sẽ xét về sơ đồ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ và sơ đồ chỉnh lưu cầu

Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ

Đặc điểm của mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ là trong cả hai nửa chu kì của điện

áp xoay chiều đều có dòng điện chạy qua tải Có hai loại sơ đồ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ: sơ đồ cân bằng và sơ đồ cầu

a Sơ đồ cân bằng

b Đồ thị thời gian của điện áp ra

Hình 2.30: Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ

D1

D2

Ct R

Ur Uv

U r

Không có C t

Có C t

Điện áp cực đại khi không tải: Uˆ Uˆ2U n

Trong đó Un là điện áp ngưỡng của diode, U2 là điện áp trên cuộn thứ cấp của biến áp

Điện áp ngược đặt lên diode (trong trường hợp C t  0): Ung = 2U2hd

Mạch chỉnh lưu cầu:

Sơ đồ cầu thường được dùng trong trường hợp điện áp xoay chiều tương đối lớn Tuy cùng là sơ đồ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ nhưng nó ưu việt hơn sơ đồ cân bằng ở chỗ cuộn thứ cấp được sử dụng toàn bộ trong hai nửa chu kỳ của điện áp vào

và điện áp ngược đặt lên điôt trong trường hợp này chỉ bằng một nửa điện áp ngược đặt lên trong sơ đồ cân bằng Điện áp ra cực đại khi không tải: Uˆr Uˆ22U n nghĩa

là nhỏ hơn chút ít so với điện áp ra trong sơ đồ cân bằng, vì ở đây luôn luôn có hai điốt mắc nối tiếp

Hình 2.31: Mạch chỉnh lưu cầu

Ta thấy rằng trong từng nửa chu kỳ của điện áp thứ cấp U2, một cặp điốt có anôt dương nhất và katốt âm nhất mở, cho dòng một chiều qua R t, cặp điốt còn lại khóa và chịu một điện áp ngược cực đại bằng biên độ U2m Ví dụ tương ứng với nửa chu kỳ dương của U2, cặp điốt Đ1Đ3 mở, Đ2Đ4 khóa Rõ ràng điện áp ngược đặt lên van lúc khóa có giá trị bằng một nửa so với trường hợp sơ đồ chỉnh lưu cân bằng đã xét trên, đây là ưu điểm quan trọng nhất của sơ đồ cầu Ngoài ra, kết cấu thứ cấp của biến áp nguồn đơn giản hơn

Trong sơ đồ 1.4, nếu nối đất điểm giữa biến áp và mắc thêm tải ta có mạch chỉnh lưu có điện áp ra hai cực tính Đây thực chất là hai mạch chỉnh lưu cân bằng

Uv

Hình 2.32: Chỉnh lưu điện áp ra hai cực tính

c) Lọc các thành phần xoay chiều của dòng điện ra tải

Trong các mạch chỉnh lưu nói trên điện áp hay dòng điện ra tải tuy có cực tính không đổi, nhưng các giá trị của chúng thay đổi theo thời gian một cách chu kỳ, gọi

là sự đập mạch (gợn sóng) của điện áp hay dòng điện sau chỉnh lưu

Một cách tổng quát khi tải thuần trở, dòng điện tổng hợp ra tải là:

cossin

n n n

là tổng các sóng hài xoay chiều có giá trị, pha và tần số khác nhau phụ thuộc và loại mạch chỉnh lưu Vấn đề đặt ra là phải lọc các thành phần sóng hài này để cho ít đập mạch, vì các sóng hài gây sự tiêu thụ năng lượng vô ích và gây sự nhiễu loạn cho sự làm việc của tải Trong mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ thành phần một chiều I0

tăng gấp đôi so với mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ, thành phần sóng hài cơ bản (n=1) bị triệt tiêu, chỉ còn các sóng hài bậc từ n = 2 trở lên Vì vậy mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ đã có tác dụng lọc bớt sóng hài

Người ta định nghĩa hệ số đập mạch KP của bộ lọc:

KP càng nhỏ thì chất lượng của bộ lọc càng cao

Người ta đã tính toán rằng khi chỉnh lưu nửa chu kỳ KP = 1,58, khi chỉnh lưu hai nửa chu kì KP = 0,667

Kp = Biên độ sóng hài lớn nhất của it (hay ut)

Giá trị trung bình của it (hay ut)

2.3.4 Phần mềm lập trình

a) Phần mềm Arduino IDE

Thiết kế bo mạch nhỏ gọn, trang bị nhiều tính năng thông dụng mang lại nhiều lợi thế cho Arduino, tuy nhiên sức mạnh thực sự của Arduino nằm ở phần mềm Môi trường lập trình đơn giản dễ sử dụng, ngôn ngữ lập trình Wiring dễ hiểu và dựa trên nền tảng C/C++ rất quen thuộc với người làm kỹ thuật Và quan trọng là số lượng thư viện code được viết sẵn và chia sẻ bởi cộng động là nguồn mở cực kỳ lớn

Arduino IDE là phần mềm dùng để lập trình cho Arduino Môi trường lập trình Arduino IDE có thể chạy trên 3 nền tảng phổ biến nhất hiện này là Windows, Mac

OS và Linux Do có tính chất nguồn mở nên môi trường lập trình này hoàn toàn miễn phí và có thể mở rộng thêm bởi người dùng có kinh nghiệm

Hình 2.33: Giao diện phần mền arduino IDE

Cài đặt

Bước 1: Truy cập địa chỉ: https://www.arduino.cc/en/Main/Software/ để tải chương trình arduino IDE