Khóa luận thiết kế hệ thống đo nhịp tim ứng dụng cảm biến MAX30100 tại Đại học Quản lý và Công ...

• Tác giả: Vũ Trung Đang
• Người hướng dẫn: Ts. Đoàn Hữu Chức
• Trường học: Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện Tự Động Công Nghiệp
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Đo Nhịp Tim Ứng Dụng Cảm Biến MAX30100
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hải Phòng

Mục lục chi tiết

• Lời nói đầu
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÍN HIỆU ĐIỆN TIM
• 1.1. Tín hiệu điện tim
• 1.2. Mạch điện tử đo tín hiệu điện tim
• 1.3. Giới thiệu về cảm biến nhịp tim MAX30100
• 1.4. Thông số kỹ thuật
• 1.5. Xác định chỉ số SPO2
• 1.6. Nguyên lý vật lý được sử dụng để đo SPO2
• 1.7. Tổng quan về ESP8266
• 1.8. Thông số kĩ thuật
• 1.9. Cài đặt NodeMCU ESP8266 WIFI
• 1.10. Sơ lược về chuẩn giao tiếp I2C
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO TÍN HIỆU NHỊP TIM
• 2.1. Sơ đồ khối và chức năng của từng khối
• 2.2. Hoạt động của hệ thống
• 2.3. Thiết kế chi tiết
• 2.4. Khối xử lí trung tâm
• 2.5. Khối cảm biến
• 2.6. Khối hiển thị trên OLED
• 2.7. Khối hiển thị trên ứng dụng Blynk
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG VÀ THỬ NGHIỆM
• 3.1. Giải thích sơ đồ nguyên lý
• 3.2. Kết quả thực nghiệm
• Kết luận
• Phụ lục
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tổng Quan Thiết Kế Hệ Thống Đo Nhịp Tim MAX30100

Công nghệ Internet vạn vật (IoT) đang cách mạng hóa nhiều lĩnh vực, từ quản lý sản xuất đến chăm sóc sức khỏe. Ứng dụng IoT trong y tế mở ra khả năng theo dõi sức khỏe từ xa, cung cấp dữ liệu liên tục và chính xác cho cả bệnh nhân và bác sĩ. Đồ án này tập trung vào thiết kế và chế tạo một hệ thống đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu sử dụng cảm biến MAX30100, một thành phần nhỏ gọn, độ chính xác cao và tiết kiệm năng lượng. Hệ thống này có khả năng hiển thị dữ liệu tại chỗ thông qua màn hình OLED hoặc truyền dữ liệu lên Internet, mở ra tiềm năng cho việc theo dõi sức khỏe cá nhân và quản lý bệnh mãn tính từ xa. Hệ thống này không chỉ đo lường nhịp tim mà còn xác định nồng độ oxy trong máu, một chỉ số quan trọng để đánh giá chức năng hô hấp và tuần hoàn. Việc tích hợp các công nghệ IoT cho phép dữ liệu được thu thập, lưu trữ và phân tích một cách hiệu quả, cung cấp thông tin hữu ích cho việc chẩn đoán và điều trị bệnh. Theo tài liệu gốc, 'Một hệ thống đo sử dụng cảm biến MAX30100 đã được thiết kế và chế tạo thành công. Tín hiệu đo có thể hiển thị tại chỗ qua màn hình OLED hoặc qua ứng dụng trên Internet.'

1.1. Tín hiệu điện tim Cơ sở lý thuyết và ứng dụng

Tim là một cơ quan quan trọng tạo ra áp lực đẩy máu đi khắp cơ thể thông qua sự co bóp nhịp nhàng. Nhịp tim được kích thích bởi các xung điện từ nút xoang. Tín hiệu điện tim (ECG) ghi lại hoạt động điện của tim, cho phép phân tích các thành phần sóng P, Q, R, S, T, mỗi thành phần phản ánh một giai đoạn cụ thể của chu kỳ tim. Tín hiệu điện tim có thể giúp phát hiện các bệnh lý tim mạch. Dải tần số của tín hiệu điện tim thường nằm trong khoảng từ 0 Hz đến ∞, nhưng để chẩn đoán, dải tần được chọn thường là 0. Nhịp tim, cùng với nồng độ oxy trong máu, nhiệt độ, huyết áp và nhịp thở, là năm dấu hiệu sinh tồn quan trọng nhất. Nhịp tim bình thường thường dao động từ 60 đến 100 nhịp/phút. Bất kỳ sự thay đổi đáng kể nào có thể là dấu hiệu của vấn đề sức khỏe. Theo [1,2] Mỗi thành phần này có đặc trưng riêng, đáp ứng riêng, dấu hiệu của nhịp tim riêng nhưng có chung nguồn gốc là các hiện tượng điện sinh vật.

1.2. Cảm biến MAX30100 Giải pháp đo nhịp tim và SpO2

Cảm biến MAX30100 là một giải pháp tích hợp để đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu (SpO2). Nó sử dụng phương pháp đo quang phổ để xác định nồng độ oxy trong máu bằng cách phát ánh sáng và thu lại ánh sáng phản xạ. Sự thay đổi thể tích máu trong ngón tay khi tim đập làm thay đổi lượng ánh sáng phản xạ, cho phép cảm biến phát hiện nhịp tim. MAX30100 tích hợp các trình điều khiển LED đỏ và IR để điều chỉnh xung LED cho phép đo SpO2 và HR. Dòng LED có thể được lập trình từ 0 đến 50mA với điện áp cung cấp phù hợp. Độ rộng xung LED có thể được lập trình từ 69us đến 411us để cho phép thuật toán tối ưu hóa độ chính xác của SpO2 và HR và mức tiêu thụ điện dựa trên các trường hợp sử dụng.

II. Phân Tích Vấn Đề Ảnh Hưởng Nhiễu Tín Hiệu Điện Tim

Tín hiệu điện tim rất nhạy cảm với nhiễu. Các nguồn nhiễu phổ biến bao gồm nhiễu từ mạng điện, nhiễu sóng cơ, nhiễu do tiếp xúc không tốt giữa điện cực và da, nhiễu tần số thấp và nhiễu từ các nguồn điện tim khác (ví dụ: ghép tim). Nhiễu từ mạng điện là một vấn đề đặc biệt khó khăn do tính chất ngẫu nhiên của nó. Các loại nhiễu khác có dải tần ổn định hơn và có thể được loại bỏ bằng các bộ lọc cố định. Để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu, mạch khuếch đại cần được thiết kế đặc biệt với trở kháng đầu vào lớn và khả năng loại bỏ nhiễu đồng pha cao. Mạch khuếch đại vi sai thường được sử dụng để loại bỏ tạp nhiễu ngay từ đầu vào. M.Akay đã chỉ rõ rằng lọc nhiễu từ mạng cung cấp điện là cấp bách nhất vì tính chất phổ biến và khó kiểm soát của loại nhiễu này.

2.1. Mạch khuếch đại tín hiệu điện tim Thiết kế và yêu cầu

Mạch khuếch đại tín hiệu điện tim cần đáp ứng các yêu cầu khắt khe về độ chính xác, độ ổn định và an toàn. Các yêu cầu chính bao gồm: băng tần từ 0.05 đến 250Hz, khả năng chịu đựng điện áp DC đầu vào, hệ số khuếch đại toàn mạch từ 200 đến 1000, trở kháng đầu vào lớn (>10MΩ) và hệ số nén đồng pha cao (>90dB). Để đạt được hệ số nén nhiễu đồng pha lớn, cần sử dụng hệ số khuếch đại cao ở tầng đầu bằng cách sử dụng một tụ điện nối tiếp với điện trở trong mạch xác định hệ số khuếch đại ở tầng khuếch đại vi sai. Mạch khuếch đại công cụ (instrumentation amplifier) là một lựa chọn phổ biến cho các mạch khuếch đại tín hiệu y sinh do khả năng loại bỏ nhiễu đồng pha và trở kháng đầu vào cao. Một IC loại này là INA333 được hãng Taxas Instruments (TI) sản xuất. Đây là IC có mức tiêu thụ công suất thấp và độ chính xác cao.

2.2. Chuẩn giao tiếp I2C Kết nối cảm biến và vi điều khiển

I2C (Inter-Integrated Circuit) là một chuẩn truyền thông nối tiếp cho phép giao tiếp giữa một thiết bị chủ và nhiều thiết bị tớ. Nó sử dụng hai đường tín hiệu: SDA (serial data) để truyền dữ liệu và SCL (serial clock) để truyền xung clock. Mỗi thiết bị tớ có một địa chỉ duy nhất. Chuẩn I2C rất phù hợp cho các ứng dụng nhúng, vì nó chỉ yêu cầu hai dây tín hiệu và hỗ trợ nhiều thiết bị trên cùng một bus. Các thiết bị sau này tăng thêm số bit địa chỉ nên có thể giao tiếp nhiều hơn. Địa chỉ của thiết bị tớ thường do nhà chế tạo thiết bị thiết lập sẵn.

III. Phương Pháp Thiết Kế Hệ Thống Đo Nhịp Tim MAX30100

Hệ thống đo nhịp tim được thiết kế bao gồm các khối chức năng chính: khối nguồn, khối cảm biến MAX30100, khối xử lý trung tâm (ESP8266) và khối hiển thị (màn hình OLED). Khối nguồn cung cấp điện cho toàn bộ hệ thống. Khối cảm biến MAX30100 đo nhịp tim và nồng độ SpO2 và gửi dữ liệu đến khối xử lý trung tâm. Khối xử lý trung tâm điều khiển cảm biến, xử lý dữ liệu và hiển thị kết quả trên màn hình OLED. ESP8266 được sử dụng để kết nối hệ thống với Internet, cho phép theo dõi dữ liệu từ xa. Tín hiệu nhịp tim sẽ được thu thập và xử lý để tính toán giá trị heart rate (HR) nồng độ oxy trong máu (SpO2) thông qua hai khối là khối cảm biến nhịp tim và khối xử lý trung tâm. Giá trị HR, SpO2 sau khi được tính toán sẽ được hiển thị ra màn hình cùng với đồng hồ thời gian thực được cập nhật thông qua sever online và giá trị HR, SpO2 đồng thời được gửi lên hệ thống website để người dùng có thể theo dõi từ xa.

3.1. Sơ đồ khối và chức năng từng khối trong hệ thống

Sơ đồ khối của hệ thống bao gồm: Khối nguồn: có chức năng cung cấp nguồn cho toàn bộ mạch hoạt động. Khối cảm biến max30102: có chức năng đo nhịp tim và nồng độ SpO2 của con người và gửi giá trị đo được cho NodeMCU ESP8266 khi có tín hiệu yêu cầu. Khối xử lý trung tâm: có chức năng điều khiển cảm biến max30102, đồng thời điều khiển hiển thị dữ liệu trên khối hiển thị. Khối hiển thị: có chức năng hiển thị giá trị nhịp tim và nồng độ SpO2 trong máu đo được.

3.2. Mạch nguồn và ổn áp Đảm bảo nguồn điện ổn định

Mạch nguồn cần cung cấp điện áp ổn định cho các thành phần trong hệ thống. IC ổn áp AMS1117-3.3V được sử dụng để cung cấp điện áp 3.3V cho ESP8266, MAX30100 và màn hình OLED. Các tụ điện được sử dụng để lọc nhiễu và đảm bảo nguồn điện một chiều ổn định. Cung cấp điện áp một chiều ở đầu ra không đổi trong hai trường hợp điện áp đầu vào thay đổi hoặc dòng tiêu thụ của tải thay đổi, tuy nhiên sự thay đổi này phải có giới hạn.

3.3. Thiết kế giao diện hiển thị OLED Trực quan hóa dữ liệu

Màn hình OLED 1.3 inch với giao tiếp I2C được sử dụng để hiển thị nhịp tim, nồng độ SpO2 và thời gian thực. Màn hình OLED có độ tương phản cao và góc nhìn rộng, giúp hiển thị dữ liệu rõ ràng và dễ đọc. Màn hình sử dụng giao tiếp I2C cho chất lượng đường truyền ổn định và rất dễ giao tiếp chỉ với 2 chân GPIO.

IV. Xây Dựng và Thử Nghiệm Kết Quả Đo Nhịp Tim MAX30100

Sau khi thiết kế và xây dựng hệ thống, quá trình thử nghiệm được thực hiện để đánh giá hiệu suất của hệ thống. Các thử nghiệm bao gồm đo nhịp tim và nồng độ SpO2 trên nhiều đối tượng khác nhau và so sánh kết quả với các thiết bị y tế tiêu chuẩn. Kết quả cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và cung cấp các kết quả đo chính xác. Sản phẩm thực tế. Thực hiện đo bằng cách đặt ngón tay lên cảm biến. Sản phẩm sau khi đóng gói.

4.1. Kết nối phần cứng ESP8266 MAX30100 và OLED

Esp8266 được thiết kế kết nối với cảm biến MAX30102 qua chuẩn giao tiếp I2C. Tương tự, màn hình OLED cũng được kết nối với trung tâm qua truyền thông I2C. Chân D2, D1 được kết nối với chân SDA, SCL của màn hình OLED 1.3inch để hiển thị các dữ liệu và thời gian thực Cảm biến MAX30102 và màn hình OLED được cấp nguồn 3.3V lấy từ ngõ ra của ESP8266. Nguồn nuôi của cả hệ thống có thể được cấp từ cáp USB hoặc Adaptor 5V/2A.

4.2. Lưu đồ giải thuật và chương trình điều khiển

Ban đầu khởi tạo các biến sử dụng trong chương trình, sau đó sẽ hiển thị giao diện cũng như giá trị của dữ liệu. Tiếp theo khối xử lý trung tâm sẽ kết nối với mạng wifi và thiết lập trang web đồng thời cập nhập thời gian thực. Sau đó khối xử lý trung tâm sẽ xử lý tín hiệu nhịp tim và huyết áp để có thể hiển thị thông số lên màn hình và cập nhập lên trang web.

V. Ứng Dụng Thực Tế Đo Nhịp Tim Hiển Thị Blynk và OLED

Ngoài khả năng hiển thị dữ liệu trực tiếp trên màn hình OLED, hệ thống còn tích hợp khả năng kết nối Internet thông qua module ESP8266 và nền tảng Blynk. Điều này cho phép người dùng theo dõi nhịp tim và nồng độ SpO2 từ xa thông qua ứng dụng trên điện thoại thông minh hoặc trình duyệt web. Dữ liệu được thu thập có thể được lưu trữ và phân tích để theo dõi sức khỏe cá nhân và hỗ trợ trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh.

5.1. Ứng dụng Blynk Kết nối và hiển thị dữ liệu từ xa

Blynk là một nền tảng IoT cho phép bạn điều khiển phần cứng từ xa, hiển thị dữ liệu cảm biến, lưu trữ dữ liệu và nhiều hơn nữa. Với Blynk, bạn có thể tạo giao diện người dùng tùy chỉnh để hiển thị nhịp tim và SpO2, cũng như nhận thông báo khi các chỉ số này vượt quá ngưỡng an toàn.

5.2. Tích hợp OLED và Blynk Giải pháp toàn diện

Việc tích hợp màn hình OLED và nền tảng Blynk cung cấp một giải pháp toàn diện cho việc theo dõi nhịp tim và nồng độ SpO2. Màn hình OLED cung cấp khả năng hiển thị dữ liệu trực tiếp tại chỗ, trong khi Blynk cho phép theo dõi từ xa và lưu trữ dữ liệu để phân tích và đánh giá sức khỏe.

VI. Kết Luận Phát Triển Thiết Kế Hệ Thống Đo Nhịp Tim

Đồ án đã thành công trong việc thiết kế và chế tạo một hệ thống đo nhịp tim và nồng độ SpO2 sử dụng cảm biến MAX30100 và module ESP8266. Hệ thống này có khả năng hiển thị dữ liệu tại chỗ thông qua màn hình OLED và truyền dữ liệu lên Internet thông qua nền tảng Blynk. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và cung cấp các kết quả đo chính xác. Trong tương lai, hệ thống có thể được cải tiến bằng cách tích hợp thêm các cảm biến khác (ví dụ: cảm biến nhiệt độ, cảm biến huyết áp) và phát triển các thuật toán xử lý tín hiệu nâng cao để cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống. Để hoàn thành được đồ án, em đã nhận được sự hỗ trợ giúp đỡ từ thầy hướng dẫn cũng như các thầy cô trong Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại Học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng.

6.1. Hướng phát triển và cải tiến hệ thống đo

Tích hợp thêm các cảm biến khác để theo dõi nhiều chỉ số sức khỏe hơn. Phát triển các thuật toán xử lý tín hiệu nâng cao để cải thiện độ chính xác của hệ thống. Xây dựng giao diện người dùng trực quan hơn cho ứng dụng Blynk. Tối ưu hóa thiết kế phần cứng để giảm kích thước và tiêu thụ năng lượng của hệ thống.

6.2. Tầm quan trọng ứng dụng thực tế trong y tế

Hệ thống đo nhịp tim và nồng độ SpO2 có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng y tế, bao gồm theo dõi sức khỏe tại nhà, quản lý bệnh mãn tính, chẩn đoán bệnh tim mạch và theo dõi bệnh nhân sau phẫu thuật. Hệ thống này có tiềm năng cải thiện chất lượng cuộc sống của bệnh nhân và giảm chi phí chăm sóc sức khỏe.