ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Trường Điện – Điện tử

ĐỒ ÁN I
Thiết kế hệ thống đo điện tâm đồ (đo nhịp
tim) sử dụng vi điều khiển Arduino
NGUYỄN HUY HIỆU

Ngành Kỹ thuật Điện

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Nguyễn Thanh Sơn

Khoa:

Thiết bị Điện – Điện tử

Trường:

Điện – Điện tử

HÀ NỘI, 8/2023


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ......................................................... 4
1.1 Giới thiệu chung về nhịp tim .................................................................... 4
1.2 Phân loại nhịp tim ..................................................................................... 5
1.2.1 Nhịp tim bình thường ........................................................................... 5
1.2.2 Nhịp tim cao ......................................................................................... 5

1.2.3 Nhịp tim thấp........................................................................................ 6
1.3 Các phương pháp đo nhịp tim hiện nay .................................................. 7
1.3.1 Phương pháp thủ công.......................................................................... 7
1.3.2 Điện tâm đồ (ECG, EKG) .................................................................... 8
1.3.3 Phương pháp đo nhịp tim Oscillometric .............................................. 9
1.3.4 Phương pháp đo quang thể tích (Photoplethysmogram) .................... 10
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO, CẢM BIẾN
NHỊP TIM VÀ LCD 16x2 ................................................................................. 12
2.1. Giới thiệu về vi điều khiển Arduino ..................................................... 12
2.2. Phân loại Arduino .................................................................................. 14
2.2.1. Arduino Uno ...................................................................................... 14
2.2.2. Arduino Nano .................................................................................... 15
2.2.3. Arduino Mega 2560........................................................................... 16
2.3. Cấu trúc của Arduino Uno R3 .............................................................. 16
2.3.1. Thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3 ........................................... 16
2.3.2. Cấu trúc chi tiết ................................................................................. 18
2.4. Giới thiệu về cảm biến nhịp tim (Pulse Sensor) .................................. 20
2.4.1. Thông số kỹ thuật ............................................................................. 20
2.4.2. Cấu tạo.............................................................................................. 20
2.4.3. Nguyên lý hoạt động: ........................................................................ 21
2.5. LCD 16x2 ................................................................................................ 21
2.5.1 Thông số kỹ thuật ............................................................................... 21
2.5.2 Chức năng của từng chân LCD 16x2 ................................................. 22


CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM
............................................................................................................................. 24
3.1 Thiết kế hệ thống đo nhịp tim ................................................................ 24
3.2. Mô phỏng lấy số liệu từ phần mềm Arduino IDE ............................... 26
3.3 Khảo sát thực nghiệm ............................................................................. 26

3.4 Đánh giá kết quả của hệ thống .............................................................. 27
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN ................................................................................ 28
4.1 Kết luận .................................................................................................... 28
4.2 Hướng phát triển của đề tài ................................................................... 28
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 29
PHỤ LỤC ........................................................................................................... 30


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Giới thiệu chung về nhịp tim
Cùng với các thông số như: huyết áp, nhiệt độ, nhịp thở, nồng độ oxy
trong máu... nhịp tim của con người là thông số quan trọng khác biểu diễn tình
trạng sức khỏe của con người và được xem là một trong những dấu hiệu sinh
tồn quan trọng nhất của cơ thể. Khi một bệnh nhân đến khám bệnh thì cơng
việc đầu tiên của bác sỹ thường là kiểm tra nhịp tim, huyết áp bệnh nhân và
trong suốt quá trình điều trị thơng số này cũng thường xun được thu thập,
kiểm tra. Công việc tưởng chừng như rất đơn giản nhưng trên thực tế lại có ý
nghĩa trong cơng tác chuẩn đoán và điều trị cho bệnh nhân, đặc biệt là với
những bệnh tim mạch và bệnh nhân hậu phẫu.
Nhịp tim - con số tưởng chừng rất quen thuộc nhưng khơng phải ai cũng
hiểu rõ, nhất là khi nó là thông số hàng đầu về sức khỏe tim mạch. Các chuyên
gia y tế thường quan tâm đến nhịp tim khi kiểm tra sức khỏe hay đánh giá hiệu
quả của việc điều trị nói chung và mỗi người chúng ta cũng rất cần hiểu rõ
nhịp tim mình để phát hiện những tín hiệu xấu.
Nhịp tim là nhịp đập của tim, được xác định bằng số lần co thắt của tim
trong thời gian một phút. Đơn vị của nhịp tim ký hiệu là nhịp/phút hoặc bpm
(beat per minute - nhịp mỗi phút). Nó phụ thuộc vào từng cá nhân, tuổi tác, kích
thước cơ thể, đang mắc bệnh hay ở trạng thái ngồi yên hoặc di chuyển, sử dụng
thuốc hay không, thậm chí nhiệt độ khơng khí cũng ảnh hưởng tới nhịp tim. Một
yếu tố gắn liền với chúng ta hàng ngày và có tác động đến nhịp tim một cách rõ

ràng, dễ nhận biết chính là cảm xúc: khi bị kích thích hay sợ hãi, vui mừng hay
lo lắng đều có thể làm tăng nhịp tim. Nhưng tất cả các yếu tố trên đều được
dung hòa để đưa nhịp tim ổn định nhờ sự phối hợp nhịp nhàng của hệ thần kinh
trung ương, hệ thần kinh tim, hệ mạch và các chất trung gian hóa học để làm cho
cơ chế tim hoạt động hiệu quả trở lại.


1.2 Phân loại nhịp tim
1.2.1 Nhịp tim bình thường

Theo Hiệp hội Tim mạch Hoa Kỳ, nhịp tim bình thường của người trưởng
thành là khoảng 60 – 100 bpm lúc nghỉ ngơi. Tuy nhiên, khi ngủ, nhịp tim của
con người thường có xu hướng chậm đi. Nếu nhịp tim khi ngủ ở khoảng 40 đến
50 bpm thì vẫn được coi là bình thường.
Theo Cơ quan y tế quốc gia tại Anh, chỉ số nhịp tim lý tưởng cho từng độ
tuổi như sau:
• Nhịp tim trẻ sơ sinh: 120 - 160 nhịp/phút
• Nhịp tim trẻ từ 1 đến 12 tháng tuổi: 80 - 140 nhịp/phút
• Nhịp tim trẻ em từ 1 đến 2 tuổi: 80 - 130 nhịp/phút
• Nhịp tim trẻ từ 2 đến 6 tuổi: 75 - 120 nhịp/phút
• Nhịp tim trẻ em từ 7 đến 12 tuổi: 75 - 110 nhịp/phút
• Nhịp tim người từ 18 tuổi trở lên: 60 - 100 nhịp/phút
• Nhịp tim vận động viên: 40 - 60 nhịp/phút
1.2.2 Nhịp tim cao

Ở người trưởng thành, nếu nhịp tim trên 100bpm lúc nghỉ ngơi sẽ bị coi là
nhịp tim cao (hay nhịp tim nhanh). Nhịp tim cao có nguy hiểm hay không phụ
thuộc vào nhiều yếu tố, chẳng hạn như nguyên nhân khiến tim đập nhanh, tần
suất, tiền sử bệnh lý… Ví dụ, nếu nhịp tim bạn tăng nhanh trong vài giây, không
thường xuyên hoặc do những nguyên nhân như lo lắng, căng thẳng, vừa tập thể

dục, thể thao xong… thì hầu như vơ hại. Ngược lại, nếu bạn có tiền sử bệnh tim,
tim thường xuyên đập nhanh, mức độ ngày càng nghiêm trọng thì đó có thể là
biểu hiện của một bệnh lý nào đó. Trong trường hợp này, bạn cần thăm khám
bác sĩ để sớm phát hiện và điều trị bệnh kịp thời.


Hình 1.1 Nhịp tim nhanh
Thơng thường, tim đập nhanh chỉ gây ra một vài biến chứng nhẹ. Tuy
nhiên, với những người mắc bệnh tim mạch, nhịp tim cao có thể dẫn đến các
biến chứng nặng nề như ngất, ngưng tim, đột quỵ, suy tim…
1.2.3 Nhịp tim thấp

Nhịp tim của người trưởng thành bị coi là thấp nếu dưới 60bpm lúc nghỉ
ngơi. Nếu nhịp tim của bạn thường xuyên bị chậm sẽ khiến não và các cơ quan
khác không nhận đủ oxy và gây ra một số triệu chứng như ngất hoặc gần ngất,
chóng mặt, mệt mỏi, khó thở, đau ngực, suy giảm trí nhớ, mất trí, nhanh mệt khi
tham gia các hoạt động thể thao…


Hình 1.2 Nhịp tim chậm
1.3 Các phương pháp đo nhịp tim hiện nay
1.3.1 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 1.3 Cách đo 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 1.4 Các ổ van và vị trí nghe tương ứng
Nhận xét: là phương pháp phổ biến, đơn giản, dễ đo. Chi phí khi đo
khơng 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.
1.3.2 Điện tâm đồ (ECG, EKG)

Điện tâm đồ, hay còn gọi là điện tim (Electrocardiogram, viết tắt ECG,
EKG) là một xét nghiệm ghi lại hoạt động điện học của tim dưới dạng đồ thị. Sử
dụng các điện cực để đo nhịp tim trong một khoảng thời gian, dòng điện từ
nguồn sẽ đi qua các điện cực vào cơ thể rồi phản hồi lại các thông tin nhịp tim.


Hình 1.5 Đo điện tim
Nhận xét: là phương pháp có độ chính xác cao, được sử dụng nhiều trong
các bệnh viện, trung tâm khám sức khỏe, có thể đo được nhiều thơng số trong
cùng một khoảng thời gian. Nhưng có thể gây ra các tác dụng phụ như dị ứng da
do tiếp xúc dòng điện cực hay các chất để dán cố định, gây cảm giác khó chịu.
Vì thiết bị hiện đại nên sai số trung bình của thiết bị đo là 1%.
1.3.3 Phương pháp đo nhịp tim Oscillometric


Phương pháp này sử dụng một bao khí có gắn sensor đo, quấn quanh bắp
tay của người cần đo, bắp tay nơi quấn bao khí phải được đặt ngang tim. Trước
tiên bao khí được bơm căng lên để áp suất trong bao cao. Lúc này động mạch
được bao khí chẹn lại, máu không chảy được trong động mạch ở chỗ bị quấn
bao khí. Tiếp theo người ta sẽ từ từ xã khí trong bao ra. Đến khi áp suất trong
bao cân bằng với áp suất của máu trong động mạch thì trong mạch máu mới
được lưu thông và lúc này áp suất trong bao khí bắt đầu thay đổi theo nhịp đập
của tim. Với phương pháp này nhịp tim được tính xác định bằng cách đếm số
chu kì này trong một khoảng thời gian nhất định sau đó chia cho khoảng thời
gian đếm.


Hình 1.6 Máy đo huyết áp, nhịp tim
Hạn chế của phương pháp đo nhịp tim Oscillometric: Bao khí chặn nghẽn
dịng máu trong động mạch nơi khuỷu tay lại nên mạch đập của tim nhận được
sẽ bị sai khác so với bình thường. Sai khác này tuy nhỏ nhưng ít nhiều vẫn ảnh
hưởng tới độ chính xác của kết quả đo nhịp tim.
1.3.4 Phương pháp đo quang thể tích (Photoplethysmogram)

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 1.7 Đo bằng quang học
Nhận xét: có độ chính xác cao, đơn giản, dễ sử dụng, thiết bị gọn nhẹ, sử
dụng thoải mái, khơng gây khó chịu, thời gian đo nhanh. Các phương pháp
quang học có một đánh giá sai số 15%.


CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO,
CẢM BIẾN NHỊP TIM VÀ LCD 16x2
2.1. Giới thiệu về vi điều khiển Arduino
Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea, nước Ý và được đặt theo tên của vị vua
King Arduin vào thế kỷ thứ IX (1002-1014). Arduino chính thức được đưa ra
giới thiệu vào năm 2005, được xem là một công cụ cho sinh viên học tập tại
Interaction Design Institute Ivrea (Viện thiết kế tương tác Ivrea). Giáo sư
Massimo Banzi là một trong những người phát triển Arduino và cũng là giảng
viên tại Ivrea.
Hiện tại có rất nhiều loại vi điều khiển và đa số được lập trình bằng ngơn
ngữ C/C++ hoặc Assembly nên rất khó khăn cho những người có ít kiến thức
sâu về điện tử và lập trình. Nó là trở ngại cho mọi người muốn tạo riêng cho
mình một món đồ mang tính cơng nghệ. Do vậy, đó là lí do Arduino được phát
triển nhằm đơn giản hóa việc thiết kế, lắp ráp linh kiện điện tử cũng như lập
trình trên vi xử lí và mọi người có thể tiếp cận dễ dàng hơn với thiết bị điện tử
mà không cần nhiều về kiến thức điện tử và thời gian. Và điều làm nên hiện
tượng Arduino chính là mức giá rất thấp, chỉ khoảng 200.000 đồng, người dùng

có thể sở hữu một board Arduino có 20 ngõ I/O có thể tương tác và điều khiển
chừng ấy thiết bị.


Hình 2.1 Vi điều khiển Arduino
Hiện nay Arduino được biết đến ở Việt Nam rất rộng rãi. Từ học sinh
trung học, đến sinh viên và người đi làm. Những dự án nhỏ và lớn được thực
hiện một cách rất nhanh, các mã nguồn mở được chia sẻ nhiều trên diễn dàn
trong nước và nước ngồi. Giúp ích rất nhiều cho những bạn theo đam mê
nghiên cứu chế tạo những sản phẩm có ích cho xã hội.
Sau đây là những thế mạnh của Arduino so với các nền tảng vi điều khiển
khác:
• Chạy trên đa nền tảng: Việc lập trình Arduino có thể thể thực hiện trên các
hệ điều hành khác nhau như Windows, Mac Os, Linux trên Desktop, Android
trên di động. Ngơn ngữ lập trình đơn giản dễ hiểu.
• Nền tảng mở: Arduino được phát triển dựa trên nguồn mở nên phần mềm
chạy trên Arduino được chia sẻ dễ dàng và tích hợp vào các nền tảng khác nhau.
• Mở rộng phần cứng: Arduino được thiết kế và sử dụng theo dạng module
nên việc mở rộng phần cứng cũng dễ dàng hơn.
• Đơn giản và nhanh: Rất dễ dàng lắp ráp, lập trình và sử dụng thiết bị.
• Dễ dàng chia sẻ: Mọi người dễ dàng chia sẻ mã nguồn với nhau mà không
lo lắng về ngôn ngữ hay hệ điều hành mình đang sử dụng.


Arduino được chọn làm bộ não xử lý của rất nhiều thiết bị từ đơn giản đến
phức tạp. Trong số đó có một vài ứng dụng thực sự chứng tỏ khả năng vượt trội
của Arduino do chúng có khả năng thực hiện nhiều nhiệm vụ rất phức tạp. Sau
đây là danh sách một số ứng dụng nổi bật của Arduino như trong cơng nghệ in
3D, robot dị đường theo hướng có nguồn nhiệt, tạo một thiết bị nhấp nháy theo
âm thanh hay làm bộ xử lý trung tâm của rất nhiều loại robot.

2.2. Phân loại Arduino
2.2.1. Arduino Uno

Hình 2.2 Hình ảnh một Arduino Uno
Arduino Uno là một bo mạch vi điều khiển dựa trên chip Atmega328. Nó
có 14 chân vào ra bằng tín hiệu số, trong đó có 6 chân có thể sử dụng để điều
chế độ rộng xung. Có 6 chân đầu vào tín hiệu tương tự cho phép chúng ta kết
nối với các bộ cảm biến bên ngoài để thu thập số liệu, sử dụng một dao động
thạch anh với tần số dao động 16MHz, có một cổng kết nối bằng chuẩn USB để
chúng ta nạp chương trình vào bo mạch và một chân cấp nguồn cho mạch, một
ICSP header, một nút reset. Chip Atmega328 có 32KB (với 0,5KB sử dụng cho
bootloader). Nó cịn có 2KB SRAM và 1KB EEPROM. Arduino Uno thế hệ thứ
3 (Arduino Uno R3), có khả năng lập trình cho các ứng dụng điều khiển phức
tạp. Nó được trang bị cấu hình mạnh cho các loại bộ nhớ như ROM, RAM và
Flash, các ngõ vào/ ra digital I/O. Trong đó nhiều ngõ có khả năng xuất tín hiệu


PWM, các ngõ đọc tín hiệu analog và chuẩn giao tiếp đa dạng như: UART, SPI,
TWI (I2C). Arduino Uno được dùng trong lập trình Robot, xe tự hành, điều
khiển bật tắt led…
2.2.2. Arduino Nano

Hình 2.3 Hình ảnh một Arduino Nano
Arduino Nano là một bảng vi điều khiển thân thiện, nhỏ gọn, đầy đủ.
Arduino Nano được tích hợp vi điều khiển ATmega328P, giống như Arduino
Uno. Sự khác biệt chính giữa chúng là bảng Uno có dạng PDIP (Plastic Dual-Inline Package) với 30 chân cịn Nano có sẵn trong TQFP (thin quad flat pack) với
32 chân. Trong khi Uno có 6 cổng ADC thì Nano có 8 cổng ADC. Bảng Nano
khơng có giắc nguồn DC như các bo mạch Arduino khác, mà thay vào đó có
cổng mini-USB. Cổng này được sử dụng cho cả việc lập trình và bộ giám sát nối
tiếp. Tính năng hấp dẫn của Arduino Nano là nó sẽ chọn cơng xuất lớn nhất với

hiệu điện thế của nó.


2.2.3. Arduino Mega 2560

Hình 2.4 Hình ảnh một Arduino Mega 2560
Arduino Mega 2560 là một bo mạch vi điều khiển được xây dựng dựa trên
chip Atmega2560. Có cấu trúc 54 chân vào/ra số trong đó có 15 chân có thể sử
dụng để điều chế độ rộng xung, có 16 chân đầu vào tín hiệu tương tự. Arduino
Mega 2560 có sẵn RTC và các tính năng khác như bộ so sánh, timer, ngắt để
điều khiển hoạt động, tiết kiệm điện năng và tốc độ nhanh hơn với xung thạch
anh16 Mhz. Các tính năng khác bao gồm hỗ trợ JTAG để lập trình, gỡ lỗi và xử
lý sự cố. Với bộ nhớ FLASH lớn và SRAM, bo này có thể xử lý chương trình hệ
thống lớn một cách dễ dàng. Nó cũng tương thích với các loại bo mạch khác
nhau như tín hiệu mức cao (5V) hoặc tín hiệu mức thấp (3.3V) với chân nạp I/O.
Arduino Mega 2560 là một sự thay thế của Arduino Mega cũ. Nó là Arduino lớn
nhất, tốt nhất, đắt nhất hiện nay và thường được sử dụng cho các dự án rất phức
tạp.
Trong khuôn khổ đồ án này, Arduino được sử dụng để thiết kế hệ thống
đo nhịp tim là Arduino Uno R3.
2.3. Cấu trúc của Arduino Uno R3
2.3.1. Thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3

Vi điều khiển

Atmega328P


Điện áp hoạt động


5V

Điện áp cấp (hoạt động tốt)

7 – 12 V

Chân I/O digital

14 (có 6 chân xuất xung PWM)

Chân đầu vào analog

6 (A0 – A5)

Dòng điện mỗi chân I/O

20 mA

Dòng điện chân 3.3V

50 mA

Bộ nhớ Flash

32 kB (Atmega328P) – trong đó 0.5
kB dùng cho bootloader.

SRAM

2 kB (Atmega328P)


EEPROM

1 kB (Atmega328P)

Tốc độ xung nhịp

16 MHz

Kích thước

68.6 x 53.4 mm

Trọng lượng

25 g


2.3.2. Cấu trúc chi tiết

Hình 2.5 Các khối cấu trúc
2.3.2.1. Khối nguồn
Có hai cách cấp nguồn chính cho bo mạch Uno: cổng USB và jack DC.
Giới hạn điện áp cấp cho Uno là 6 – 20V. Tuy nhiên, dải điện áp khuyên
dùng là 7 – 12 V (tốt nhất là 9V). Lý do là nếu nguồn cấp dưới 7V thì điện áp ở
‘chân 5V’ có thể thấp hơn 5V và mạch có thể hoạt động khơng ổn định; nếu
nguồn cấp lớn hơn 12V có thể gấy nóng bo mạch hoặc phá hỏng.
Các chân nguồn trên Uno:
• Vin: Cấp nguồn ngồi cho kit. Khi kết nối, tiến hành nối cực dương của
nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

• 5V: Đầu ra điện áp 5V. Các bạn phải lưu ý là dòng tối đa cho phép cấp ở
pin này là 0.5A
• 3.3V: Đầu ra điện áp 3.3V. Dòng tối đa cho phép cấp ở pin này là 0.05A
• GND (Ground): Đất của nguồn điện cấp cho kit. Khi bạn dùng các ứng
dụng sử dụng nguồn điện riêng hoặc nhiều nguồn thì phải nối những chân
GND này với nhau
• IOREF: Điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO. Bạn có
thể dùng đồng hồ đo được ở pin này. Khi đo bạn sẽ thấy nó ln là 5V.


Tuy nhiên ko được lấy nguồn từ pin này cấp đi chỗ khác, vì đơn giản chức
năng của nó khơng phải là cấp nguồn
• RESET: Chân reset sẽ được nối với nút bấm. Khi bạn nhấn nút Reset, kit
sẽ reset vi điều khiển. Nguyên lý là chân RESET sẽ được nối với Ground
qua 1 điện trở 10KΩ.
2.3.2.2. Các cổng vào/ra
Các chân digital (chân số 2 – 13) được sử dụng làm chân nhập, xuất tín hiệu
số thơng qua các hàm chính: pinMode(), digitalWrite(), digitalRead(). Điện áp
hoạt động là 5V, dịng điện qua các chân này ở chế độ bình thường là 20mA.
• 2 chân Serial: 1 (TX) và 0 (RX): dùng để nhận (receive – RX) và gửi
(transmit – TX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết
bị khác thông qua 2 chân này. Bạn không nên sử dụng 2 chân này nếu
khơng cần thiết
• Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn băm xung PWM với
độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 →28 -1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm
analogWrite(). Đây là một ứng dụng rất hay, khi bạn có thể thay đổi được
điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và
5V như những chân khác.
• Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngồi
các chức năng thơng 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).
Bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy khi nhấn nút reset. Cơng dụng của nó chỉ
để báo hiệu. Nó được nối với chân số 13.
• Analog In: 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, sử dụng hàm
analogRead(). Bạn có thể để đưa vào chân AREF trên board điện áp tham
chiếu khi sử dụng các chân analog. Nói cách khác, khi bạn cấp điện áp
2.5V vào chân này thì bạn có thể đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V
với độ phân giải vẫn là 10bit.


• Giao tiếp I2C: 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI
với các thiết bị khác.
2.4. Giới thiệu về cảm biến nhịp tim (Pulse Sensor)
2.4.1. Thông số kỹ thuật

• Nguồn: 3~5 VDC
• Dịng tiêu thụ: < 4mA
• Ngõ ra: Analog.
• Đường kính cảm biến: 1.6 cm (0.625 inch).
• Độ dày: 0.125 inch
2.4.2. Cấu tạo

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý cảm biến
Phần quan trọng của mạch này là tụ lọc 10uF, tiếp theo là đèn LED xanh lá cây
và điện trở 470. Ngoài ra trong mạch, bạn có thể thấy rằng mạch được cấp
nguồn thơng qua một diode. Diode phục vụ hai mục đích: đầu tiên nó bảo vệ
phân cực ngược và thứ hai nó bảo vệ mạch khỏi quá độ. Sau diode, công suất
được phân phối giữa op-amp MCP6001 và IC cảm biến điốt quang APDS-9008.

Biên độ đầu ra của IC cảm biến rất thấp và nhiễu. Đó là lý do tại sao chúng ta
cần lọc nó thơng qua một bộ bộ lọc thơng thấp RC, sau đó tín hiệu được làm
sạch sẽ được khuếch đại bởi op-amp và chúng ta có thể xử lý dữ liệu bằng vi
điều khiển.


2.4.3. Nguyên lý hoạt động:

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 quang trở
gần đầu phát. Do bị ép vào nên lượng máu ở phần cảm biến sẽ thay đổi, cụ thể
khi khơng 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 vào.
Sự thay đổi là rất nhỏ, nên phần cảm nhận ánh sáng (quang trở) thường có
mạch IC để khuếch đại tín hiệu thay đổi này, đưa về các mạch lọc, đếm hoặc các
mạch ADC để tính tốn ra nhịp tim. Tín hiệu đầu ra là tín hiệu analog, dao động
theo các mạch đập nhịp tim.
2.5. LCD 16x2
2.5.1 Thơng số kỹ thuật

• Điện áp MAX: 7V.
• Điện áp MIN: -0,3V.
• Điện áp hoạt động ổn định: 2.7-5.5V.
• Điện áp ra mức cao: > 2.4V.
• Điện áp ra mức thấp: < 0.4V.
• Dịng điện cp ngun: 350àA 600àA
ã Nhit hot ng: -30 – 75℃.



2.5.2 Chức năng của từng chân LCD 16x2

Hình 2.7 Sơ đồ chân LCD 1602 (Xanh Lá)
• Chân số 1 - VSS : chân nối đất cho LCD được nối với GND của mạch
điều khiển
• Chân số 2 - VDD : chân cấp nguồn cho LCD, được nối với VCC=5V của
mạch điều khiển
• Chân số 3 – V0 : điều chỉnh độ tương phản của LCD
• Chân số 4 - RS : chân chọn thanh ghi, được nối với logic "0" hoặc logic
"1":
- Logic “0”: Bus D0 - D7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế độ
“ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” read)
- Logic “1”: Bus D0 - D7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD
• Chân số 5 - RW : chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write), được nối với
logic “0” để ghi hoặc nối với logic “1” đọc
• Chân số 6 - E : chân cho phép (Enable). Sau khi các tín hiệu được đặt lên
bus D0-D7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân
này như sau:
- Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào thanh ghi bên trong
khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E
- Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra D0-D7 khi phát hiện cạnh lên
(low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào
chân E xuống mức thấp


• Chân số 7 đến 14 - D0 đến D7: 8 đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi
thông tin với bộ vi điều khiển. Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này là:
Chế độ 8bit (dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit D7)
và Chế độ 4bit (dữ liệu được truyền trên 4 đường từ D4 tới D7, bit MSB

là D7)
• Chân số 15 - A: nguồn dương cho đèn nền
• Chân số 16 - K: nguồn âm cho đèn nền


CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT THỰC
NGHIỆM
3.1 Thiết kế hệ thống đo nhịp tim
Trên cơ sở lý thuyết, một giải thuật đã được xây dựng nhằm giải quyết
việc đo nhịp tim bằng phương pháp quang thể tích, tức là đo nhịp tim bằng đầu
đo cảm biến gắn trên đầu ngón tay.
Hệ thống xác định nhịp tim bằng đầu đo cảm biến gắn trên đầu ngón tay,
đồng thời hiện thị các thông số đo được về nhịp tim như Beats Per Minute
(BPM), Interbeat Intervals (IBI), Heart Rate Frequency (Hz)…

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống


Hình 3.2 Lưu đồ thuật tốn
Dựa trên sơ đồ khối, lưu đồ thuật tốn chương trình điều khiển thiết kế hệ
thống đo nhịp tim bằng đầu đo cảm biến gắn trên ngón tay. Hệ thống được kết
nối theo sơ đồ dưới đây.

Hình 3.3 Arduino Uno, LCD 16x2 và Pulse Sensor