I. Thiết kế thiết bị đo Tổng quan và mục tiêu
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và thi công thiết bị đo nhiệt độ, nhịp tim và nồng độ oxy trong máu tại HCMUTE tập trung vào việc phát triển một thiết bị y tế di động, đáp ứng nhu cầu theo dõi sức khỏe cá nhân. Thiết kế thiết bị đo này nhằm mục đích cung cấp giải pháp đo lường chính xác ba thông số sinh tồn quan trọng: nhiệt độ, nhịp tim, và nồng độ oxy trong máu (SpO2). Thiết bị hướng đến tính dễ sử dụng, khả năng truyền dữ liệu không dây, và một giao diện người dùng thân thiện. Việc ứng dụng công nghệ Arduino và ESP32 cho phép xử lý dữ liệu hiệu quả, đồng thời tích hợp khả năng kết nối Bluetooth hoặc Wifi để truyền dữ liệu lên ứng dụng di động. Thiết kế mạch điện tử, bao gồm PCB design, cũng như phát triển phần mềm nhúng là những yếu tố cốt lõi của dự án. Dự án tốt nghiệp HCMUTE này phản ánh nỗ lực ứng dụng kỹ thuật điện tử và công nghệ thông tin vào lĩnh vực y tế.
1.1 Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế thiết bị đo đa chức năng, chính xác và đáng tin cậy. Đồ án hướng đến việc thiết kế một hệ thống tích hợp gồm các cảm biến nhiệt độ, cảm biến nhịp tim, và cảm biến oxy máu (pulse oximeter). Các cảm biến này sẽ được kết nối với một vi điều khiển (như Arduino hoặc ESP32) để xử lý dữ liệu. Dữ liệu thu thập được sẽ được hiển thị trên một giao diện người dùng trực quan, có thể là màn hình LCD hoặc ứng dụng di động. Thiết kế đồ án tốt nghiệp này cũng bao gồm việc phát triển phần mềm ứng dụng (app) trên nền tảng Android để hiển thị và lưu trữ dữ liệu. Việc xử lý tín hiệu và hiệu chỉnh tín hiệu là một phần quan trọng nhằm đảm bảo độ chính xác của kết quả đo. Thiết kế 3D của thiết bị cũng được xem xét để tối ưu hóa tính thẩm mỹ và khả năng sử dụng. Cuối cùng, kiểm tra thiết bị kỹ lưỡng sẽ được thực hiện để đảm bảo chất lượng và độ tin cậy trước khi đưa vào sử dụng. Nghiên cứu khoa học HCMUTE trong lĩnh vực này đóng góp vào việc phát triển các giải pháp y tế hiện đại và hiệu quả.
1.2 Phương pháp nghiên cứu
Đồ án áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm kết hợp với nghiên cứu lý thuyết. Giai đoạn đầu tập trung vào tìm hiểu về ngôn ngữ lập trình C và hoạt động của các cảm biến. Sau đó, nhóm nghiên cứu tiến hành thiết kế sơ đồ khối và lựa chọn các linh kiện phù hợp. Việc viết code cho vi điều khiển, phát triển phần mềm ứng dụng và thi công thiết bị được thực hiện song song. Vi điều khiển Arduino hoặc ESP32 sẽ được lập trình để thu thập, xử lý và truyền dữ liệu. Giao diện người dùng được thiết kế để dễ sử dụng và hiển thị thông tin một cách rõ ràng. Kết quả đo được sẽ được so sánh với các thiết bị đo chuẩn để đánh giá độ chính xác. Truyền dữ liệu không dây thông qua Bluetooth hoặc Wifi được tích hợp để thuận tiện cho người dùng. Phát triển phần mềm Android cho phép người dùng theo dõi dữ liệu trên điện thoại di động. Cuối cùng, báo cáo khoa học tổng kết toàn bộ quá trình nghiên cứu, kết quả đạt được, và những hạn chế cần khắc phục.
II. Cơ sở lý thuyết và lựa chọn linh kiện
Phần này tập trung vào cơ sở lý thuyết về các cảm biến được sử dụng trong thiết bị. Cảm biến nhiệt độ (thermometer) thường sử dụng công nghệ hồng ngoại không tiếp xúc. Cảm biến nhịp tim (heart rate sensor) có thể sử dụng công nghệ quang học hoặc điện cực. Cảm biến nồng độ oxy máu (blood oxygen sensor) thường sử dụng công nghệ quang điện kế. Pulse oximeter là một thiết bị phổ biến để đo SpO2. Mạch điện tử được thiết kế để xử lý tín hiệu từ các cảm biến và cung cấp nguồn điện cho toàn bộ hệ thống. Việc lựa chọn các linh kiện phù hợp dựa trên độ chính xác, độ bền, và giá thành. Module ESP8266 hoặc Arduino sẽ được sử dụng làm vi điều khiển để điều khiển toàn bộ hệ thống. Mạch in (PCB) được thiết kế và chế tạo để đảm bảo kết nối giữa các linh kiện một cách hiệu quả.
2.1 Cảm biến và nguyên lý hoạt động
Các cảm biến được lựa chọn dựa trên độ chính xác, độ bền, và chi phí. Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc (MLX90614) được ưu tiên do tính tiện dụng và an toàn. Cảm biến nhịp tim quang học (MAX30100) được lựa chọn do độ nhạy cao và dễ tích hợp. Cảm biến nồng độ oxy máu (MAX30100) cũng được sử dụng, tận dụng tính năng đa chức năng của chip này. Nguyên lý hoạt động của từng cảm biến được nghiên cứu kỹ lưỡng để đảm bảo độ chính xác của kết quả đo. Xử lý tín hiệu từ các cảm biến là một phần quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác của kết quả. Hiệu chỉnh tín hiệu cần được thực hiện để loại bỏ nhiễu và sai số. Mạch điện tử được thiết kế để tối ưu hóa quá trình xử lý tín hiệu và giảm thiểu nhiễu. Việc lựa chọn các linh kiện có chất lượng cao là rất quan trọng để đảm bảo độ bền và độ tin cậy của thiết bị.
2.2 Thiết kế mạch và phần mềm
Thiết kế mạch điện tử bao gồm việc thiết kế mạch nguồn, mạch xử lý tín hiệu, và mạch giao tiếp. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch được vẽ chi tiết để đảm bảo tính chính xác. Mạch in (PCB) được thiết kế và chế tạo bằng phần mềm chuyên dụng. Viết code cho vi điều khiển (Arduino hoặc ESP32) là một phần quan trọng của đồ án. Ngôn ngữ lập trình C được sử dụng để lập trình cho vi điều khiển. Phần mềm ứng dụng (App) được phát triển trên nền tảng Android để hiển thị và lưu trữ dữ liệu. Giao diện người dùng được thiết kế để dễ sử dụng và hiển thị thông tin một cách rõ ràng. Truyền dữ liệu không dây được thực hiện thông qua Bluetooth hoặc Wifi. Phần mềm được thiết kế để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả. Việc kiểm tra và hiệu chỉnh phần mềm là cần thiết để đảm bảo hoạt động trơn tru của thiết bị.
III. Kết quả và đánh giá
Kết quả đồ án bao gồm việc thi công thiết bị, kiểm tra thiết bị và đánh giá hiệu quả. Kết quả đo thực tế được so sánh với các thiết bị đo chuẩn để đánh giá độ chính xác. Giao diện người dùng được đánh giá về tính thân thiện và dễ sử dụng. Kết quả thống kê được trình bày để minh họa hiệu quả của thiết bị. Những hạn chế của thiết bị được chỉ ra và đề xuất các hướng phát triển trong tương lai. Báo cáo khoa học cung cấp thông tin chi tiết về quá trình nghiên cứu và kết quả đạt được. Đồ án tốt nghiệp này đóng góp vào việc phát triển các giải pháp y tế hiện đại, mang lại giá trị thiết thực cho cộng đồng.
3.1 Đánh giá độ chính xác
Độ chính xác của thiết bị được đánh giá bằng cách so sánh kết quả đo với các thiết bị đo chuẩn. Đo nhiệt độ chính xác được kiểm tra bằng cách so sánh với nhiệt kế chuẩn. Đo nhịp tim chính xác được kiểm tra bằng cách so sánh với máy đo nhịp tim điện tim. Đo nồng độ oxy máu chính xác được kiểm tra bằng cách so sánh với máy đo SpO2 chuyên dụng. Sai số được tính toán và phân tích để đánh giá độ tin cậy của thiết bị. Các nguyên nhân gây ra sai số được xác định và đề xuất các giải pháp khắc phục. Độ chính xác là một yếu tố quan trọng để đảm bảo tính tin cậy của thiết bị. Kết quả đánh giá độ chính xác cần được trình bày rõ ràng và chi tiết trong báo cáo khoa học.
3.2 Ứng dụng thực tiễn và hướng phát triển
Thiết bị đo đa thông số này có nhiều ứng dụng thực tiễn. Thiết bị có thể được sử dụng tại nhà để theo dõi sức khỏe cá nhân hàng ngày. Thiết bị cũng có thể được sử dụng trong các cơ sở y tế để theo dõi bệnh nhân. Ứng dụng di động giúp người dùng dễ dàng theo dõi và quản lý dữ liệu sức khỏe. Truyền dữ liệu không dây giúp thuận tiện cho việc theo dõi từ xa. Các hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc cải thiện độ chính xác, tích hợp thêm các chức năng mới, và giảm kích thước thiết bị. Tích hợp với hệ thống y tế thông minh cũng là một hướng phát triển tiềm năng. Nghiên cứu khoa học liên tục là cần thiết để cải tiến và hoàn thiện thiết bị. Đồ án tốt nghiệp này đặt nền móng cho những nghiên cứu và phát triển tiếp theo.
