Báo cáo Thiết kế thiết bị đo chỉ số cơ thể môn Kỹ thuật vi xử lý | Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG
ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
Đề tài: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO CHỈ SỐ CƠ THỂ
Giảng viên hướng dẫn: TS. Hàn Huy Dũng Nhóm : 8
Sinh viên thực hiện: Vũ Văn Hà – 20203696 Đỗ Văn Hinh – 20203424 Lê Tuấn Anh – 20200019
Lê Đức Thịnh – 20203593
Nguyễn Văn Mạnh – 20203501 Hà nội 11/2024 LỜI MỞ ĐẦU LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1. Đặt vấn đề 1.2. Mục tiêu
1.2.1.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.2.2. Phương pháp nghiên cứu 1.3. Nội dung nghiên cứu
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. LÍ THUYẾT VỀ NHỊP TIM VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐIỆN TIM
2.1.1. Khái niệm nhịp tim
2.1.2. Nồng độ oxy trong máu
2.1.3. Quá trình điện học của tim
2.1.4. Đo nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ quang học
2.2 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP GIỮA CÁC MODULE
2.2.1. Chuẩn giao tiếp I2C giữa MAX30100 và ESP8266 Node MCU
2.2.2. Chuẩn truyền không dây theo giao thức UDP
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
3.1. THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG
3.2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
3.2.1. Thiết kế khối cảm biến độ nhịp tim a. Chức năng b. Lựa chọn linh kiện c. Thông số kỹ thuật d. Sơ đồ nguyên lý
e. Giải thích sơ đồ nguyên lý
3.2.2. Thiết kế khối vi điều khiển đọc cảm biến và giao tiếp wifi a. Chức năng b. Lựa chọn linh kiện c. Thông số kỹ thuật d. Sơ đồ nguyên lý
e. Giải thích sơ đồ nguyên
3.2.3. Thiết kế khối xử lý trung tâm điều khiển hiển thị a. Chức năng b. Lựa chọn linh kiện c. Thông số kỹ thuật d. Sơ đồ nguyên lý
e. Giải thích sơ đồ nguyên
3.3. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÍ TOÀN MẠCH 3.3.1. Sơ đồ nguyên lí
3.3.2. Giải thích sơ đồ nguyên lí
CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG 4.1 THIẾT KẾ BO MẠCH 4.1.1. tiến hành vẽ PCB
4.1.2. lắp ráp và kiểm tra 4.2 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
4.2.1 lưu đồ giải thuật
4.2.2. phần mềm lập trình cho vi điều khiển
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 5.1 KẾT QUẢ 5.2. NHẬN XÉT
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1. KẾT LUẬN 6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC HÌNH ẢNH
MỤC LỤC BẢNG BIỂU LỜI MỞ ĐẦU
Nhịp tim là một chỉ số sinh lý quan trọng, phản ánh tình trạng hoạt
động của tim và hệ tuần hoàn trong cơ thể. Đo lường và theo dõi nhịp tim không
chỉ giúp phát hiện các bất thường về sức khỏe mà còn là công cụ hữu ích trong
việc đánh giá sức khỏe tim mạch của mỗi người. Trong bối cảnh cuộc sống hiện
đại, với nhịp sống nhanh và áp lực công việc gia tăng, nhu cầu theo dõi sức khỏe
cá nhân ngày càng trở nên thiết yếu. Đặc biệt, trong các lĩnh vực y tế, thể thao, và
chăm sóc sức khỏe từ xa, việc có thể đo lường nhịp tim một cách chính xác và
thuận tiện là điều vô cùng quan trọng.
Để đáp ứng nhu cầu này, thiết bị đo nhịp tim đã được nghiên cứu và
phát triển với mục tiêu đơn giản hóa quá trình đo đạc và cung cấp kết quả chính
xác, đáng tin cậy. Các thiết bị này không chỉ giúp theo dõi sức khỏe mà còn đóng
vai trò quan trọng trong việc cảnh báo sớm những vấn đề tiềm ẩn liên quan đến tim mạch.
Với những xu hướng phát triển công nghệ hiện nay, các thiết bị đo
nhịp tim đang ngày càng trở nên nhỏ gọn, dễ sử dụng và có độ chính xác cao.
Trong khuôn khổ đề tài này, chúng ta sẽ tìm hiểu về nguyên lý hoạt động, thiết kế
và ứng dụng của thiết bị đo nhịp tim, nhằm tạo ra một giải pháp hiệu quả và tiện
lợi cho việc theo dõi sức khỏe tim mạch. LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu
sắc đến thầy Hàn Huy Dũng, giảng viên của Khoa, người đã tận tâm
giảng dạy và hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình thực hiện đồ án.
Nhờ có sự chỉ bảo tận tình của thầy, nhóm em mới có thể hoàn thành được đề tài này.
Tuy nhiên, do kiến thức của chúng em còn hạn chế và khả
năng áp dụng vào thực tế chưa được hoàn thiện, trong quá trình nghiên
cứu và thực hiện đồ án, chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót.
Nhóm em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ quý thầy cô để
nhóm em có thể hoàn thiện thêm kiến thức và kỹ năng của mình.
Cuối cùng, nhóm em xin gửi lời chúc sức khỏe, thành công
đến quý thầy cô cùng toàn thể cán bộ trong Đại học Bách Khoa Hà
Nội. Nhóm em rất biết ơn sự hỗ trợ và chỉ dẫn của thầy cô trong suốt quá trình học tập.
Nhóm em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, 18 tháng 11 năm 2024
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 đặt vấn đề
Nhịp tim là một trong những chỉ số quan trọng nhất phản ánh tình trạng hoạt động của hệ
tim mạch, đóng vai trò thiết yếu trong việc đánh giá sức khỏe của mỗi cá nhân. Việc theo
dõi và kiểm tra nhịp tim thường xuyên có thể giúp phát hiện sớm các vấn đề sức khỏe, như
rối loạn nhịp tim, bệnh tim mạch, hay các bệnh lý nghiêm trọng khác. Tuy nhiên, việc kiểm
tra nhịp tim truyền thống thường đòi hỏi sự can thiệp của các bác sĩ và các thiết bị y tế
phức tạp, điều này có thể tốn thời gian và chi phí cho người bệnh.
Trong bối cảnh xã hội hiện đại, với sự phát triển của công nghệ và nhu cầu chăm sóc sức
khỏe ngày càng cao, việc phát triển các thiết bị đo nhịp tim đơn giản, tiện lợi và dễ sử dụng
trở nên vô cùng quan trọng. Các thiết bị này không chỉ có thể giúp người sử dụng theo dõi
nhịp tim của mình trong thời gian dài mà còn cung cấp thông tin cần thiết để phòng ngừa
và điều trị kịp thời các bệnh lý liên quan đến tim mạch.
Đặc biệt, với sự phát triển của công nghệ cảm biến, điện tử và vi xử lý, việc thiết kế một
thiết bị đo nhịp tim nhỏ gọn, dễ sử dụng và có độ chính xác cao không còn là điều khó
khăn. Các thiết bị đo nhịp tim hiện nay có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ chăm sóc
sức khỏe cá nhân, thể dục thể thao cho đến y tế từ xa, hỗ trợ việc theo dõi sức khỏe mọi lúc mọi nơi.
Tuy nhiên, các thiết bị đo nhịp tim hiện nay vẫn còn một số hạn chế như giá thành cao, tính
chính xác chưa hoàn toàn ổn định hoặc chưa thân thiện với người sử dụng. Do đó, việc
nghiên cứu và thiết kế một thiết bị đo nhịp tim mới, cải tiến về tính năng và công nghệ,
nhằm nâng cao độ chính xác, giảm thiểu chi phí và đơn giản hóa quy trình sử dụng, là một
yêu cầu cấp thiết trong việc đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng và ngành y tế.
Với những lý do trên, đề tài "Thiết kế thiết bị đo điện tim" sẽ tập trung vào việc phát
triển một thiết bị đo nhịp tim có tính chính xác cao, dễ sử dụng và ứng dụng rộng rãi. Qua
đó, không chỉ đóng góp vào việc nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe cá nhân mà còn
mở ra cơ hội phát triển các giải pháp y tế tiên tiến, phục vụ cho công tác phòng ngừa, chẩn
đoán và điều trị bệnh tim mạch. 1.2 Mục tiêu
Thiết kế mô hình hệ thống theo dõi, giám sát nhịp tim, nồng độ oxy trong máu và
đồ thị điện tim, tức thời và có thể hoặt động liên tục, đồng thời gửi các thông số
dữ liệi đo được qua mạng wifi hiển thị trên ứng dụng di động để khả năng giám sát, theo dõi. 1
1.2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu về phần mềm là các giải thuật để đo được nhịp tim, nồng độ
oxi trong máu từ cảm biến MAX30100 chính xac, tức thời, đảm bảo hệ thống hoạt
động đúng chức năng và thông tin tới người dùng qua mạng wifi, mạng di động.
Cách thức lập trình ESP8266 Node MCU.
Phạm vi nghiên cứu áp dụng cho 1 hoặc 2 người dùng, tuy nhiên khả năng mở
rộng thành hệ thống lớn. Ngoài ra, do kiến thức về lập trình còn nhiều hạn chế nên còn nhiều sai sót.
1.2.2. Phương pháp nghiên cứu 1.3. Nội dung nghiên cứu
• NỘI DUNG 1: tiến hành nghiên cứu về nhịp tim và đồ thị điện tim
• NỘI DUNG 2: đọc cảm biến thu được giá trị và cho đi qua 3 bộ lọc bằng vi xử lí,
truyền giá trị thu được qua chuẩn truyền không dây
• NỘI DUNG 3: Nhận dữ liệu từ chuẩn truyền không dây và giao tiếp với vi điều
khiển chính qua chuẩn truyền UART
• NỘI DUNG 4: Thiết kế board mạch điều khiển màn hình và khối nhận dữ liệu
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. LÍ THUYẾT VỀ NHỊP TIM VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐIỆN TIM
2.1.1. Khái niệm nhịp tim
Nhịp tim (hay còn gọi là tần suất tim đập) là số lần tim co bóp trong một phút để bơm
máu đi nuôi cơ thể. Mỗi lần tim co bóp tạo ra một xung động gọi là "nhịp tim", và số lần
nhịp tim trong một phút được đo bằng đơn vị "bpm" (beats per minute).
Nhịp tim là một chỉ số quan trọng trong việc theo dõi sức khỏe tim mạch, vì nó phản ánh
tình trạng hoạt động của tim và hệ tuần hoàn. Mức nhịp tim có thể thay đổi tùy thuộc vào
nhiều yếu tố, chẳng hạn như tuổi tác, mức độ thể chất, tình trạng sức khỏe, mức độ căng
thẳng, hay thậm chí là thời điểm trong ngày.
Yếu tố ảnh hưởng đến nhịp tim:
• Tuổi tác: Nhịp tim thường giảm khi người ta lớn tuổi.
• Tình trạng sức khỏe: Các bệnh lý như cao huyết áp, bệnh tim mạch có thể làm thay đổi nhịp tim. 2
• Mức độ hoạt động thể chất: Vận động viên có thể có nhịp tim nghỉ thấp hơn so với người ít vận động.
• Căng thẳng và cảm xúc: Stress, lo âu, hoặc cảm xúc mạnh mẽ có thể làm tăng nhịp tim.
• Thuốc men: Một số loại thuốc có thể làm thay đổi nhịp tim, ví dụ, thuốc chẹn beta
có thể làm giảm nhịp tim.
2.1.2. Nồng độ oxy trong máu
Nồng độ oxy trong máu (hay còn gọi là SpO ) là tỷ lệ phần trăm của hemoglobin trong ₂
máu kết hợp với oxy, so với tổng số lượng hemoglobin có trong máu. Nồng độ oxy trong
máu phản ánh mức độ oxy hóa của máu động mạch và cung cấp thông tin quan trọng về
khả năng vận chuyển oxy của hệ tuần hoàn. Trong đó:
• Hemoglobin là một protein có trong tế bào hồng cầu, có chức năng mang oxy từ
phổi đến các mô và cơ quan trong cơ thể. Hemoglobin có thể kết hợp với oxy để
tạo thành oxyhemoglobin (HbO ).₂
• Oxy trong máu là lượng oxy mà hemoglobin mang theo để cung cấp cho các mô
trong cơ thể. Nếu nồng độ oxy trong máu thấp, cơ thể có thể không nhận đủ oxy,
dẫn đến các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng.
Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ oxy trong máu
• Vấn đề về phổi: Các bệnh lý như viêm phổi, hen suyễn, COPD, hay tắc nghẽn
đường thở có thể giảm khả năng hấp thụ oxy của phổi, dẫn đến giảm nồng độ oxy trong máu.
• Vấn đề về tim: Các bệnh lý tim mạch, chẳng hạn như suy tim, có thể làm giảm
khả năng cung cấp oxy đến các cơ quan trong cơ thể.
• Độ cao: Ở những khu vực có độ cao lớn, lượng oxy trong không khí thấp hơn,
điều này có thể làm giảm nồng độ oxy trong máu.
• Lối sống: Các yếu tố như thuốc lá, chế độ ăn uống kém, hoặc thiếu vận động cũng
có thể ảnh hưởng đến chức năng hô hấp và nồng độ oxy trong máu.
• Nhiễm trùng: Các bệnh nhiễm trùng cấp tính hoặc mãn tính có thể làm giảm khả
năng hấp thụ và vận chuyển oxy của cơ thể.
2.1.3. Quá trình điện học của tim 3
Ngày nay, khoa điện sinh lí học hiện đại đã cho ta biết rõ: Đó là do sự biến đổi hiệu thế
giữa mặt trong và mặt ngoài màng tế bào cơ tim. Sự biến đổi hiệu thế này bắt nguồn từ sự
di chuyển của các ion K+, Na+,… từ ngoài vào trong tế bào và từ trong tế bào ra ngoài
khi tế bào cơ tim hoạt động. Lúc này tính thẩm thấu của màng tế bào đối với các ion luôn luôn biến đổi.
Khi tế bào bắt đầu hoạt động (bị kích thích), điện thế mặt ngoài màng tế bào sẽ trở thành
âm tính tương đối (bị khử mất cực dương) so với mặt trong: Người ta gọi đó là hiện
tượng khử cực (dépolarisation).
Sau đó, tế bào dần dần lập lại thế thăng bằng ion lúc nghỉ, điện thế mặt ngoài trở lại
dương tính tương đối (tái lập cực dương): Người ta gọi đó là hiện tượng tái cực (répolarisation).
2.1.4. Đo nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ quang học
Phương pháp đo nhịp tim bằng hấp thụ quang học là một kỹ thuật không xâm lấn, sử
dụng ánh sáng để đo sự thay đổi lưu lượng máu trong các mạch máu nhỏ dưới da, từ đó
tính toán được nhịp tim. Phương pháp này dựa trên nguyên lý quang học, sử dụng sự thay
đổi trong hấp thụ ánh sáng của các tế bào máu khi máu di chuyển qua mạch trong các chu kỳ đập của tim.
Công nghệ này được áp dụng rộng rãi trong các thiết bị đo nhịp tim như pulsometer (máy
đo nhịp tim) và máy đo độ bão hòa oxy trong máu (SpO ), thường được sử dụng trong ₂
các thiết bị đeo tay như smartwatch, fitness trackers hoặc các thiết bị y tế trong bệnh viện.
Nguyên lý hoạt động của phương pháp hấp thụ quang học
a) Nguồn ánh sáng và cảm biến quang học:
Thiết bị sử dụng một nguồn ánh sáng (thường là LED) phát ra ánh sáng có
bước sóng cụ thể vào mô, thường là qua da ở vị trí như đầu ngón tay, cổ tay hoặc vành tai.
Ánh sáng này sẽ truyền qua mô và một phần sẽ bị hấp thụ bởi máu trong
các mạch máu, trong khi phần còn lại sẽ được phản xạ lại và thu thập bởi
một cảm biến quang học (thường là photo-detector hoặc photodiode).
b) Sự thay đổi hấp thụ ánh sáng: 4
Khi tim đập, lượng máu trong các mạch máu (đặc biệt là trong các mao
mạch) sẽ thay đổi. Sau mỗi nhịp đập của tim, lượng máu bơm qua mạch sẽ
tăng lên, khiến khả năng hấp thụ ánh sáng của máu thay đổi.
Khi máu lưu thông qua mạch, lượng oxy trong máu sẽ thay đổi một chút,
ảnh hưởng đến mức độ hấp thụ ánh sáng, đặc biệt là ở những bước sóng cụ
thể (chẳng hạn như ánh sáng đỏ và hồng ngoại). c) Phân tích tín hiệu:
Cảm biến sẽ ghi nhận mức độ ánh sáng phản xạ và truyền dữ liệu này về bộ xử lý của thiết bị.
Các thiết bị sử dụng thuật toán phân tích tín hiệu này, xác định sự thay đổi
trong mức độ hấp thụ ánh sáng và từ đó tính toán được số lần tim đập trong
một phút (nhịp tim - BPM). Sự thay đổi này phản ánh nhịp đập của tim, vì
lưu lượng máu thay đổi theo mỗi nhịp tim. d) Tính toán nhịp tim:
Dữ liệu về sự thay đổi ánh sáng được phân tích theo thời gian, để xác định
tần suất các nhịp đập của tim.
Một chu kỳ đập của tim (hay còn gọi là một nhịp tim) có thể được xác định
khi có sự thay đổi trong mức độ ánh sáng phản xạ liên quan đến sự co thắt
và giãn nở của các mạch máu.
2.2 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP GIỮA CÁC MODULE
2.2.1. Chuẩn giao tiếp I2C giữa MAX30100 và ESP8266 Node MCU
MAX30100 là một cảm biến quang học dùng để đo nhịp tim và nồng độ oxy
trong máu (SpO ) thông qua phương pháp quang học, sử dụng công nghệ I2C để giao
tiếp₂ với các vi điều khiển. ESP8266 NodeMCU là một mô-đun vi điều khiển phổ biến,
có hỗ trợ Wi-Fi và có thể giao tiếp qua giao thức I2C với các thiết bị ngoại vi như cảm biến MAX30100.
Giao tiếp I2C giữa MAX30100 và ESP8266 NodeMCU là một phương thức
truyền dữ liệu sử dụng hai dây: SCL (đồng hồ) và SDA (dữ liệu), giúp kết nối đơn giản
và tiết kiệm dây. Trong giao tiếp này, ESP8266 đóng vai trò master (thiết bị chính) gửi
tín hiệu điều khiển, còn MAX30100 là slave (thiết bị phụ) gửi dữ liệu nhịp tim và SpO2 5
khi được yêu cầu. Địa chỉ I2C mặc định của MAX30100 là 0x57, và giao tiếp yêu cầu
điện trở kéo lên (pull-up resistors) trên các đường SDA và SCL. Phương thức này tối ưu
để thu thập dữ liệu từ cảm biến với tốc độ nhanh, đáng tin cậy và dễ triển khai.
2.2.2. Chuẩn truyền không dây theo giao thức UDP
UDP (User Datagram Protocol) là một giao thức truyền tải trong tầng vận
chuyển của mô hình OSI, được sử dụng để truyền tải dữ liệu không kết nối. Nó là một giao
thức nhẹ, nhanh nhưng không đảm bảo độ tin cậy như TCP. Điều này có nghĩa là UDP
không có cơ chế kiểm tra lỗi, không đảm bảo thứ tự các gói tin và không có cơ chế xác
nhận gói tin đã nhận, nhưng nó lại có tốc độ cao và ít chiếm tài nguyên, rất phù hợp cho
các ứng dụng cần truyền dữ liệu nhanh và thời gian thực như streaming, game online, hay
các hệ thống cảm biến không dây.
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
3.1. THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG
- Khối nguồn: Nguồn USB (5V) thông qua máy tính, kết nối với vi điều khiển qua cổng Micro USB.
- Khối vi điều khiển: Khối vi điều khiển trong hệ thống đóng vai trò trung tâm xử lý dữ
liệu và điều khiển, sử dụng ESP8266 NodeMCU. Vi điều khiển thực hiện các nhiệm vụ
chính: thu thập dữ liệu từ cảm biến MAX30100 qua giao thức I2C, xử lý tín hiệu (lọc
nhiễu, tính toán nhịp tim, SpO2), và giao tiếp với thiết bị bên ngoài qua Wi-Fi hoặc UART.
- Khối cảm biến: Khối cảm biến trong hệ thống sử dụng MAX30100, có nhiệm vụ đo
các chỉ số sinh trắc học như nhịp tim (HR) và nồng độ oxy trong máu (SpO2).
- Khối hiện thị: Khối hiển thị sử dụng màn hình OLED có nhiệm vụ hiển thị trực quan
các chỉ số như nhịp tim (HR) và nồng độ oxy trong máu (SpO2). 6
3.2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.2.1. Khối nguồn
Khối nguồn chuyển đổi điện áp từ nguồn USB 5V xuống điện áp 3.3V phù hợp cho vi
điều khiển (ESP8266) và cảm biến (MAX30100). Có nhiệm vụ cung cấp điện năng ổn
định cho toàn bộ hệ thống, bao gồm vi điều khiển, cảm biến, và các linh kiện khác. Nó
đảm bảo rằng các thành phần hoạt động với điện áp phù hợp và bảo vệ hệ thống khỏi các
sự cố về nguồn như quá dòng, ngược cực, hoặc điện áp không ổn định.
3.2.2. Khối cảm biến độ nhịp tim và nồng độ O2 a. Chức năng - Đo Nhịp Tim •
Chức năng: Đo số lần tim đập trong một phút (BPM). Thông qua cảm biến quang
học hoặc điện sinh lý (PPG hoặc ECG), hệ thống sẽ tính toán số lần tim đập. •
Ứng dụng: Theo dõi sức khỏe tim mạch, phát hiện các dấu hiệu bất thường về tim
(như nhịp tim không đều), theo dõi trong các bài tập thể dục. - Đo Nồng Độ Oxy trong Máu (SpO2) •
Chức năng: Đo tỷ lệ phần trăm oxy trong máu. Sử dụng cảm biến PPG
(Photoplethysmogram), đo sự thay đổi ánh sáng phản xạ để xác định nồng độ oxy trong máu. •
Ứng dụng: Theo dõi tình trạng sức khỏe của bệnh nhân, đặc biệt trong các trường
hợp liên quan đến các bệnh hô hấp hoặc tim mạch, hay trong môi trường cần theo
dõi oxy, như trong thể thao, phòng khám, bệnh viện. b. Lựa chọn linh kiện Cảm Biến Cảm Biến Cảm Biến Cảm Biến Cảm Biến MAX30100 MAX30102 Pulse Pulse Sensor SpO2 của Oximeter Grove Chức năng Đo
SpO2, Đo SpO2, Đo SpO2, Chỉ đo nhịp Đo SpO2, nhịp tim nhịp tim nhịp tim tim (BPM) nhịp tim (BPM) (BPM) (BPM) (BPM) Độ chính Cao, chính Cao, chính Cao, nhưng Tương đối Trung bình, 7 xác xác, thường xác, phù phụ thuộc thấp, chỉ phù hợp cho được hợp cho các vào chất phù hợp với DIY sử ứng dụng y
lượng cảm các dự án cơ dụng trong tế và theo biến bản các thiết bị dõi sức khỏe đeo tay Giao tiếp I2C I2C
UART hoặc Analog hoặc I2C/UART I2C Digital Kích thước Kích thước Kích thước Cảm
biến Rất nhỏ, dễ Kích thước nhỏ gọn, dễ
nhỏ gọn, dễ kẹp ngón tay dàng lắp đặt vừa, dễ tích
tích hợp vào tích hợp vào (kích thước vào các thiết hợp vào các các thiết bị các thiết bị lớn hơn) bị DIY dự án nhỏ đeo tay đeo tay Chi phí
Trung bình, Trung bình, Cao, sử Thấp, phù Thấp, rất
hợp lý cho hợp lý cho dụng trong hợp với các hợp lý cho các ứng các ứng môi trường dự án đơn các dự án
dụng chăm dụng chăm y tế giản DIY
sóc sức khỏe sóc sức khỏe
Do đó nhóm chọn cảm biến MAX30100 vì lựa chọn phổ biến và dễ sử dụng nhất, đặc
biệt trong các ứng dụng di động và thiết bị đeo tay, vì nó tích hợp cả cảm biến nhịp tim SpO2. c. Thông số kỹ thuật •
Cảm biến nhịp tim và oxy trong máu MAX30100 IC chính: MAX30100. •
Đo được nhịp tim và nồng độ Oxy trong máu. •
Điện áp sử dụng: 1.8~5.5VDC. •
Nhỏ gọn, siêu tiết kiệm năng lượng, thích hợp cho các thiết bị đo nhỏ gọn, Wearable Devices. •
Giao tiếp: I2C, mức tín hiệu TTL. •
Kích thước: 1.9 cm x 1.4 cm x 0.3 cm d. Sơ đồ nguyên lý 8
Hình 3.2: sơ đồ nguyên lí cảm biến MAX30100
e. Giải thích sơ đồ nguyên lý
3.2.3. Khối vi điều khiển đọc cảm biến và giao tiếp wifi a. Chức năng 9
Khối vi điều khiển (microcontroller) trong một thiết bị đo điện tim đóng vai trò rất quan
trọng, đảm nhận nhiệm vụ xử lý tín hiệu từ cảm biến, truyền tải dữ liệu đến các thiết bị
khác hoặc nền tảng trực tuyến thông qua kết nối Wi-Fi, và thực hiện các thao tác điều
khiển cần thiết trong quá trình đo và theo dõi điện tim. b. Lựa chọn linh kiện Tiêu chí ESP32 ESP8266 STM32 ARDUINO Kết nối wifi Có Có Không Không Giao tiếp I2C, SPI, I2C, SPI, I2C, SPI, ADC, I2C, SPI, UART, PWM, UART, PWM UART. PWM, UART, PWM ADC CAN Tiết kiệm năng Tốt Tốt Tốt Không lượng Lập trình Dễ Dễ Khó hơn Dễ Giá thành Khá Cao Rẻ Rẻ Cao
Dù ESP32 tốt nhờ vào hiệu suất mạnh mẽ, khả năng kết nối wifi với khả năng xử lý tín
hiệu phức tạp, nhưng ESP8266 phù hợp với yêu cầu đề ra của đề tài mà lại tiết kiệm chi phí hơn c. Thông số kỹ thuật •
Bộ vi điều khiển: CPU RISC 32-bit Tensilica Xtensa LX106 •
Điện áp hoạt động: 3.3V •
Điện áp đầu vào: 7-12V •
Chân I / O kỹ thuật số (DIO): 16 •
Chân đầu vào tương tự (ADC): 1 • UARTs: 1 • SPI: 1 • I2Cs: 1 • Bộ nhớ Flash: 4 MB • SRAM: 64 KB •
Tốc độ đồng hồ: 80 MHz
d. Sơ đồ nguyên lý 10
Hình 3.3: sơ đồ nguyên lý ESP8266 Node MCU
e. Giải thích sơ đồ nguyên lý - Chân GPIO
NodeMCU ESP8266 có tổng cộng 17 chân GPIO (General Purpose Input/Output) mà
bạn có thể sử dụng để đọc dữ liệu từ các cảm biến hoặc điều khiển các thiết bị khác. Mỗi
GPIO có thể được cấu hình bên trong ở mức HIGH hoặc LOW. - Chân ADC
ESP8266 NodeMCU có một chân ADC (Analog-to-Digital Converter) duy nhất, được ký
hiệu là A0. Chân ADC này cho phép đọc giá trị Analog từ các cảm biến hoặc linh kiện có đầu ra Analog.
- dải điện áp từ 0V đến 3.3V. - Chân SPI
Các chân SPI trên ESP8266 bao gồm:
• MOSI (GPIO13): Dùng để gửi dữ liệu từ ESP8266 (master) đến thiết bị phụ (slave).
• MISO (GPIO12): Dùng để nhận dữ liệu từ thiết bị phụ (slave) về ESP8266 (master).
• SCK (GPIO14): Cung cấp tín hiệu đồng hồ (clock) để đồng bộ hóa truyền dữ liệu giữa master và slave. 11
• SS/CS (GPIO15): Dùng để chọn thiết bị phụ (slave) cần giao tiếp. Các chân này
hỗ trợ giao tiếp SPI nhanh và hiệu quả giữa ESP8266 và các thiết bị ngoại vi. - Chân I2C
Phần cứng của ESP8266 không được tích hợp sẵn I2C, nhưng nó có thể được thực hiện
bằng phương pháp ‘bitbanging’.
Theo mặc định, GPIO4 (SDA) và GPIO5 (SCL) được sử dụng làm chân giao tiếp I2C - Chân UART
ESP8266 có hai giao tiếp UART, đó là UART0 và UART1, hỗ trợ giao tiếp không đồng
bộ (RS232 và RS485) với tốc độ lên tới 4,5 Mbps. - Chân PWM
Tất cả các chân GPIO từ GPIO0 đến GPIO15 trên ESP8266 đều có khả năng lập trình và
sử dụng để điều chế độ rộng xung (PWM). - Chân SDIO
ESP8266 có một SDIO phụ để kết nối thẻ nhớ SD. Hỗ trợ SDIO v1.1 (4-bit 25 MHz) và SDIO v2.0 (4-bit 50 MHz) - Chân nguồn
Chân VIN được sử dụng để cấp nguồn trực tiếp cho ESP8266 và các thiết bị ngoại vi.
Chân 3V3 là đầu ra được điều chỉnh từ IC ổn áp trên mạch.
- Chân ngắt (Interrupt)
Tất cả các chân GPIO của NodeMCU ESP8266 có thể được cấu hình như ngắt, trừ GPIO16.
- Chân điều khiển
Chân EN (còn được gọi là CH_PD hoặc Chip Power Down) là chân kích hoạt cho
ESP8266, mặc định được kéo lên mức cao. Khi kéo lên mức CAO, chip được kích hoạt;
khi kéo xuống mức THẤP, chip bị vô hiệu hóa.
Chân RST là chân reset cho ESP8266, mặc định được kéo lên mức CAO. Khi kéo xuống
mức THẤP trong một khoảng thời gian ngắn, nó sẽ khởi động lại ESP8266.
3.2.4. Khối hiển thị 12 a. Chức năng
Khối hiển thị trong thiết bị đo điện tim (ECG) có vai trò quan trọng trong việc truyền tải
thông tin từ các cảm biến và hệ thống vi điều khiển đến người dùng. Khối này thường
được sử dụng để cung cấp thông tin trực quan về tình trạng sức khỏe của người sử dụng
như nhịp tim, tín hiệu ECG, hoặc các thông số liên quan khác. Các loại hiển thị phổ biến
bao gồm màn hình LCD, OLED, hoặc TFT. b. Lựa chọn linh kiện Tiêu chí OLED LCD TFT E – LINK VFD Chất lượng Màu sắc Hiển thị đơn Màu
sắc Hiển thị sắc Hiển thị số hiển thị
sống động, giản, chỉ có sống động, nét, chỉ có và ký tự rõ độ tương
màu sắc cơ độ phân giải đen ràng, không phản cao bản cao, có thể và thể hiển thị
hiển thị đồ trắng, không màu sắc họa hiển thị màu sắc Độ phân Cao Thấp đến Rất cao Thấp Thấp, chỉ giải trung bình hiển thị số và ký tự Tiết kiệm Rất tiết Tương đối Tiêu Tiết kiệm Rất tiết kiệm năng lượng kiệm năng tiết kiệm thụ năng lượng năng lượng
lượng, đặc năng lượng năng lượng biệt khi hiển cao hơn thị màu tối Chi phí Cao hơn Thấp, phổ Cao Tương đối Thấp LCD nhưng biến cao không quá đắt
Vì thế Chọn màn hình OLED cho thiết bị đo điện tim có thể mang lại nhiều lợi ích, đặc
biệt là trong các ứng dụng yêu cầu hiển thị rõ ràng, sống động và tiết kiệm năng lượng. c. Thông số kỹ thuật
- Màn hình Oled 1.3 inch giao tiếp I2C
- -Điện áp sử dụng 2.2~5.5VDC
- Công suất tiêu thụ 0.04w
- Góc hiển thị Lớn hơn 160 độ 13
- Số điểm hiển thị 128x64 điểm.
- Độ rộng màn hình 1.3 inch. - Màu hiển thị Trắng / Xanh Dương. d. Sơ đồ nguyên lý
Hình 3.4: sơ đồ nguyên lý màn hình OLED 0.96 INCH
e. Giải thích sơ đồ nguyên lý
- D0 : tín hiệu đồng hồ trong giao tiếp SPI
- d1: dữ liệu từ master đến slave RST: Reset
- DC: chọn tín hiệu Data/ Command - CS: chọn thiết bị
3.3. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÍ TOÀN MẠCH 3.3.1. Sơ đồ nguyên lí
3.3.2. Giải thích sơ đồ nguyên lí 14