Kỹ thuật vi xử lý

1. KỸ THUẬT CẢM BIẾN
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐO NHỊP TIM VÀ ĐO ĐỘ BÃO
HÒA OXY TRONG MÁU SpO2 DÙNG MODULE MAX30102
Giảng viên hướng dẫn: Hoàng Quang Huy
Lớp: Liên thông k6
Nhóm: 02
Thành viên: Nguyễn Phú Đông – Trần Văn Linh

2. NỘI DUNG BÁO CÁO
GIỚI THIỆU
Module
Max30102
Cấu tạo
Nguyên lý
hoạt động
Max30102
THIẾT KẾ
Tổng quan
các khối
Linh kiện
trong mạch
Nguyên lý
hoạt động
ỨNG DỤNG
Đo SpO2
Đo nhịp tim
Kết quả
thực
nghiệm
TÀI LIỆU
THAM KHẢO
Datasheet
Arduino
Internet

3. 1. GIỚI THIỆU
1.1 MODULE MAX30102 – ĐO NHỊP TIM VÀ SPO2
• MAX30102 là một mô-đun cảm biến sinh học
tích hợp để theo dõi nồng độ oxy và nhịp tim.
• Nó tích hợp một đèn LED màu đỏ và một đèn
LED hồng ngoại, các thành phần quang học và
với khả năng triệt tiêu ánh sáng xung quanh.
• MAX30102 sử dụng nguồn điện 1.8VDC -
5.0VDC riêng biệt cho các đèn LED bên trong.
• Nó được sử dụng trong các thiết bị để thu
nhận nhịp tim và độ bão hoà oxy trong máu,
được đeo trên ngón tay, dái tai và cổ tay.
THÔNG SỐ KỸ
THUẬT
• IC chính:
MAX30102
• Đo được nhịp tim và
nồng độ Oxy trong
máu.
• Điện áp sử dụng:
3.3~5VDC.
• Giao tiếp: I2C, mức
tín hiệu TTL.
• Kích thước: 1.9 cm
x 1.4 cm x 0.3 cm

4. 1. GIỚI THIỆU
1.1 MODULE MAX30102 – ĐO NHỊP TIM VÀ SPO2
• Module Max30102 giao tiếp với vi điều khiển Arduino MCU
bằng chuẩn truyền thông I2C.
• Nhằm tiết kiệm điện năng cho sản phẩm thì IC có chế độ
chờ, có thể tuỳ chỉnh chế độ bằng lập trình phần mềm.
• Vì hiệu suất tuyệt vời của nó, chip được sử dụng rộng rãi
trong điện thoại di động, đồng hồ thông minh.
• So với MAX30100 thế hệ trước, chip này tích hợp
một lớp kính để loại bỏ hiệu quả nhiễu ánh sáng
bên ngoài và bên trong, đồng thời có hiệu suất đáng
tin cậy tốt nhất.

5. 1. GIỚI THIỆU
1.2 CẤU TẠO CỦA MODULE

6. 1. GIỚI THIỆU
1.2 CẤU TẠO CỦA CẢM BIẾN MAX30102
GỒM:
1. Diot phát quang màu đỏ (660nm)
2. IR LED (880nm)
3. Diot cảm quang
4. Bộ chuyển đổi tín hiệu Analog to
Digital
5. Giao thức giao tiếp I2C
6. Điều khiển led
7. Bộ khuếch đại thuật toán

7. 1. GIỚI THIỆU
1.2 CẤU TẠO CỦA CẢM BIẾN MAX30102
Sơ đồ chân cảm biến
• VIN: Cấp nguồn từ 1,8VDC đến 5VDC
• SCL: Kết nối với bus I2C
• SDA: Truyền dữ liệu được kết nối với bus I2C
• INT: Chân ngắt của chip MAX30102
• IRD: Nối đất IR LED của chip MAX30102
• GND: Dây nối đất

8. 1. GIỚI THIỆU
1.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MAX30102
• Gồm 2 thành phần là một Diot phát quang và một Diot cảm quang.
• Khi áp chặt mặt cảm biến vào da, nơi có mạch máu chảy( thường là
áp vào tai, đầu ngón tay,... để dễ kẹp) đầu phát sẽ phát ra ánh sáng
đi vào trong da. Dòng ánh sáng đó sẽ bị khuếch tán ra xung quanh,
và một phần đi tới Diot cảm quang gần đầu phát. Do bị ép vào nên
lượng máu ở phần cảm biến sẽ thay đổi, cụ thể khi không có áp lực
do tim đập, máu sẽ dồn ra xung quanh, lượng ánh sáng từ đầu phát
sẽ về đầu thu nhiều hơn so với khi tim đập, máu chảy qua nơi có
cảm biến áp vào.
• Sự thay đổi là rất nhỏ, nên phần cảm nhận ánh sáng thường có
mạch IC đề khuếch đại tín hiệu thay đổi này, đưa về các mạch lọc,
đếm hoặc các mạch ADC để tính toán ra nhịp tim.
• Tín hiệu đầu ra là tín hiệu analog, dao động theo các mạch đập của
tim.

9. 2. THIẾT KẾT MÁY ĐO NHỊP VÀ SPO2
2.1. TỔNG QUAN CÁC KHỐI
KHỐI
MODULE
MAX30102
KHỐI
VI ĐIỀU KHIỂN
TRUNG TÂM
ARDUINO
KHỐI
HIỂN THỊ
KHỐI NGUỒN
I2C I2C

10. 2. THIẾT KẾT MÁY ĐO NHỊP VÀ SPO2
2.1. TỔNG QUAN CÁC KHỐI
• Khối nguồn: Cung cấp điện áp 5VDC-2A cho toàn mạch
• Khối module MAX30102: Phát ánh sáng hồng ngoại và thu tín hiệu
sinh lý phản hồi của người bệnh
• Khối vi điều khiển Arduino: Lập trình, nhận tín hiệu phản hồi từ khối
Max30102 phân tích, xử lý tín hiệu để đưa ra kết quả ra màn hình
LCD
• Khối hiển thị: Màn hình LCD 1602 thực hiển hiện thị kết quả đo được
trên bệnh nhân.

11. 2. THIẾT KẾT MÁY ĐO NHỊP VÀ SPO2
2.1. TỔNG QUAN CÁC KHỐI
• GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG I2C
• I²C (viết tắt của từ tiếng Anh "Inter-Integrated Circuit", phát âm tiếng Anh I-two-C, hoặc cũng có
thể viết là IIC) là một loại bus nối tiếp hai chiều với hai dây tín hiệu được phát triển bởi hãng sản
xuất linh kiện điện tử Philips (nay là hãng NXP Semiconductors) cho quá trình giao tiếp giữa các
IC. Truyền thông với bus I²C là quá trình truyền thông đồng bộ nối tiếp, hỗ trợ nhiều master và
slave trên đường truyền. I²C phù hợp với các ngoại vi mà sự ưu tiên về kết nối đơn giản và chi
phí sản xuất thấp quan trọng hơn là yêu cầu về tốc độ truyền.

12. 2. THIẾT KẾT MÁY ĐO NHỊP VÀ SPO2
2.2. LINH KIỆN TRONG MẠCH
1. Module MAX30102
2. Vi điều khiển Arduino Uno R3
3. Module giải mã LCD I2C
4. LCD 1602
5. Nguồn 5VDC - 2A

13. 2. THIẾT KẾT MÁY ĐO NHỊP VÀ SPO2
2.2. LINH KIỆN TRONG MẠCH
• Arduino Uno là một board mạch vi điều khiển được phát triển bởi Arduino.cc, một nền
tảng điện tử mã nguồn mở chủ yếu dựa trên vi điều khiển AVR Atmega328P. Với
Arduino chúng ta có thể xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác với nhau thông
qua phần mềm và phần cứng hỗ trợ.
• Arduino Uno R3 được kết nối trực tiếp với máy tính
thông qua USB để giao tiếp với phần mềm lập
trình IDE. Các ngôn ngữ lập trình như C và C ++
được sử dụng trong IDE.
• Bộ vi điều khiển Atmega328 sử dụng trên bo mạch
đi kèm với một số tính năng như hẹn giờ, bộ đếm,
ngắt, chân PWM, CPU, chân I / O và dựa trên xung
nhịp 16 MHz giúp tạo ra nhiều tần số và số lệnh
hơn trong mỗi chu kỳ.
• Có 14 chân I / O digital và 6 chân analog được tích
hợp trên Arduino cho phép kết nối bên ngoài với
bất kỳ mạch nào với Arduino.

14. 2. THIẾT KẾT MÁY ĐO NHỊP VÀ SPO2
2.2. LINH KIỆN TRONG MẠCH
LCD 1602
• Điện áp hoạt động: 5VDC
• Số ô hiển thị: 2 hang, mỗi hang 16 ô kí tự
• LCD 16×2 có 16 chân trong đó 8 chân dữ liệu (D0 – D7),
3 chân điều khiển (RS, RW, EN) và 5 chân còn lại dùng
để cấp nguồn và đèn nền cho LCD 16×2.
Module giải mã LCD I2C
• Module I2C LCD ra đời và giải quyết vấn để thay vì phải
mất 6 chân vi điều khiển để kết nối với LCD 16×2 (RS,
EN, D7, D6, D5 và D4) thì module IC2 bạn chỉ cần tốn 2
chân (SCL, SDA) để kết nối.

15. 2. THIẾT KẾT MÁY ĐO NHỊP VÀ SPO2
2.3. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ

16. 2. THIẾT KẾT MÁY ĐO NHỊP VÀ SPO2
2.3. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
• Nguồn 5VDC được cấp cho vi điều khiển trung tâm Arduino Uno. Trên bo mạch Arduino có IC
1117-3v3 sẽ chuyển đổi điện áp từ 5VDC sang 3,3 VDC, cấp cho module MAX30102, đồng thời 5v
cấp cho màn hình lcd 1602.
• Module MAX30102 kết nối với MCU Arduino bằng giao tiếp I2C, qua các chân:
• GND với GND
• VIN với 3.3v
• SDA với A4-SDA
• SCL với A5-SCL
• Màn hình LCD 1602 được giải mã bằng module I2C giúp giảm bớt chân cho vi điều khiển, các
chân kết nối như sau:
• GND với GND
• VCC với 5v
• SDA với A4-SDA
• SCL với A5-SCL
• Module MAX30102 sẽ cảm nhận tín hiệu trên bệnh nhân, gửi dữ liệu bằng giao tiếp I2C qua vi
điều khiển Arduino, sau đó MCU Arudino sẽ phân tích tín hiệu nhận được và đưa ra kết quả SpO2,
HR. Kết quả đó được MCU xuất ra màn hình LCD.

17. 3. ỨNG DỤNG CỦA SẢN PHẨM
3.1. ĐO NỒNG ĐỘ BÃO HOÀ OXY TRONG MÁU SPO2
• Độ bão hòa oxy là tỷ số hemoglobin bão hòa oxy so với tổng số hemoglobin (cả không
bão hòa và bão hòa) trong máu. Cơ thể con người điều chỉnh sự cân bằng oxy trong
máu rất chính xác và cụ thể. Mức độ bão hòa oxy trong máu động mạch bình thường ở
người là từ 95 đến 100 %. Nếu mức độ dưới 90 % thì coi là thấp, bệnh nhân bị hạ oxy
máu. Nồng độ oxy trong máu động mạch dưới 80 % chức năng của các cơ quan
(chẳng hạn như não và tim) bị đình trệ, bệnh nhân cần được cấp cứu kịp thời. Nồng độ
oxy thấp liên tục có thể dẫn đến ngừng hô hấp hoặc ngừng tim. Đo oxy xung là một
phương pháp được sử dụng để ước tính phần trăm oxy liên kết với hemoglobin trong
máu. Giá trị gần đúng với SaO2 được ký hiệu là SpO2 (độ bão hòa oxy máu ngoại vi).
• Máy đo oxy theo nhịp bao gồm một thiết bị nhỏ kẹp vào cơ thể (thường là ngón tay, dái
tai hoặc bàn chân của trẻ sơ sinh) và chuyển các kết quả của nó đến máy đo. Thiết bị
sử dụng các diode phát sáng có màu sắc khác nhau kết hợp với cảm biến nhạy sáng
để đo sự hấp thụ ánh sáng đỏ và hồng ngoại ở ngọn chi, dựa trên khác biệt về hấp thụ
ánh sáng giữa hemoglobin mang oxy và hemoglobin khử oxy.

18. 3. ỨNG DỤNG CỦA SẢN PHẨM
3.2. ĐO NHỊP TIM
• Nhịp tim là tốc độ nhịp tim đo bằng số lần co thắt (nhịp đập) của tim mỗi phút
(bpm - beat per minute). Nhịp tim có thể thay đổi theo nhu cầu thể chất của cơ
thể, bao gồm cả nhu cầu hấp thu oxy và bài tiết carbon dioxide. Nó thường
bằng hoặc gần với xung được đo tại bất kỳ điểm ngoại vi nào. Các hoạt động
có thể tạo ra thay đổi bao gồm tập thể dục, ngủ, lo lắng, căng thẳng, bệnh tật và
khi uống thuốc.
• Hiệp hội Tim mạch Hoa Kỳ cho biết nhịp tim người lớn nghỉ ngơi bình thường là
60–100 bpm. Nhịp tim nhanh là nhịp tim được xác định là trên 100 bpm lúc nghỉ
ngơi. Nhịp tim chậm là một nhịp tim được định nghĩa là dưới 60 bpm khi nghỉ
ngơi. Trong giấc ngủ, nhịp tim chậm đi với tốc độ khoảng 40-50 bpm là phổ biến
và được coi là bình thường. Khi tim không đập theo cách thông thường, điều
này được gọi là loạn nhịp tim. Bất thường của nhịp tim đôi khi chỉ ra bệnh lý.

19. 3. ỨNG DỤNG CỦA SẢN PHẨM
3.2. ĐO NHỊP TIM
• Các thiết bị đo nhịp tim quang học phổ biến nhất là các loại cảm biến đo nhịp
tim trong các thiết bị đeo trên người. Hầu hết các thiết bị này đều thu thập dữ
liệu nhịp tim thông qua thể tích đồ (photoplethysmography - PPG), là quá trình
sử dụng ánh sáng để đo lưu lượng máu.
• Các thiết bị đeo trên người có máy đo nhịp tim quang học đều có những bóng
đèn LED nhỏ ở mặt dưới, chiếu ánh sáng xanh lên bề mặt da trên cổ tay người
dùng.
• Các bước sóng khác nhau của ánh sáng sẽ có những tương tác và khúc xạ
khác nhau với mạch máu dưới da ở cổ tay. Khi ánh sáng được khúc xạ, một
cảm ứng khác trong thiết bị điện tử sẽ ghi nhận thông tin này.
• Từ các thông tin thu thập được, các thuật toán cài đặt trong thiết bị theo dõi sức
khỏe trên người sẽ xử lý để đưa ra thông số về nhịp tim cụ thể trong từng
trường hợp.

20. 3. ỨNG DỤNG CỦA SẢN PHẨM
3.3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• Bước 1: Đấu nối các khối linh kiện lại với nhau.
• Bước 2: Nạp chương trình cho thiết bị
• Bước 3: Đo thực nghiệm trên người

21. 3. ỨNG DỤNG CỦA SẢN PHẨM
3.3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Kết quả thực nghiệm khi không có bệnh nhân Kết quả thực nghiệm khi có bệnh nhân khoẻ mạnh
• Phương pháp đo sử dụng 2 đèn led phát quang và cảm quang, từ giá trị của đèn led
thu được ta sẽ tính ra kết quả SpO2 và HR.
• Thuật toán chương trình mỗi giây sẽ đo 25 kết quả và lấy kết quả trung bình sau 4
giây

22. 3. ỨNG DỤNG CỦA SẢN PHẨM
3.3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
LẦN ĐO
SpO2
(%)
Nhịp Tim – HR
(BPM)
1 98 78
2 98 75
3 97 90
4 98 84
5 99 77

23. 4. TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. www.arduino.cc
2. https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/859400/MAXIM/MAX30102.html
3. https://vi.wikipedia.org/
4. https://learn.sparkfun.com/tutorials/max30105-particle-and-pulse-ox-sensor-hookup-guide

24. THANK YOU