CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT BỆNH NHÂN QUA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
3.4 Thiết kế phần cứng
Hình 3.9-Sơ đồ thiết kế của đơn vị xử lý trung tâm.
Khối xử lý trung tâm sử dụng vi điều khiển PIC 16F877a. Vi điều khiển này đƣợc ghép nối với mạch tạo dao động thạch anh, mạch cảm biến nhịp tim, mạch cảm biến nhiệt độ và module truyền thông XBee. Chương trình hoạt động của khối xử lý trung tâm sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển PIC 16F877a.
Việc giao tiếp với các module ngoại vi của vi điều khiển Pic 16F877a thông qua các chân 13, 14, 25, 26, 29, 33. Trong đó:
Chân số 13, 14: Kết nối với bộ tạo dao động thạch anh Chân số 25, 26: Kết nối với Module XBee
Chân số 29: Kết nối với khối cảm biến nhiệt độ
69
Chân số 33: Kết nối với khối cảm biến nhịp tim.
Để vi điều khiển PIC16F877a hoạt động, cần có mạch tạo dao động, mạch này cung cấp xung nhịp đồng hồ cho vi điều khiển, qua đó vi điều khiển có thể thực thi chương trình bên trong nó. Mỗi loại vi điều khiển PIC hỗ trợ những kiểu mach tạo dao động khác nhau nhƣ mạch dao động thạch anh (XT, HS), mạch dao động RC, mạch dao động nội, các nguồn dao động chuẩn bên ngoài khác... Mạch dao động thạch anh như trong thiết kế là loại thường hay được sử dụng. Hai chân OSC1 (chân 13) và OSC2 (chân 14) đƣợc mắc với mạch dao động thạch anh bên ngoài.
Các điện trở C1 và C2 là cần thiết khi mắc mạch dao động thạch anh cho vi điều khiển. Ƣu điểm của mạch này là tần số dao động chính xác và cho tần số dao động cao. Xung dao động đươc đưa vào chân OSC1, khi đó chân OSC2 là chân xuất dao động. [26]
3.4.2 Cảm biến nhiệ độ
Hình 3.10-Sơ đồ thiết kế của khối cảm biến nhiệt độ.
Khối cảm biến nhiệt đƣợc ghép nối với vi điều khiển PIC16F877A nhƣ sau: [24]
- Chân số 1 đƣợc nối với chân GND của vi điều khiển PIC16F877A.
- Chân số 2 đƣợc nối với chân RD6/PSP6 của vi điều khiển.
- Chân số 3 đƣợc nối với nguồn 5V của vi điều khiển.
70
Cảm biến nhiệt có tác dụng là chuyển nhiệt độ thu thập đƣợc thành các mức điện áp tương ứng để chuyển tín hiệu về chân 29 (RD6/PSP6) của vi điều khiển PIC16F877A. Khi tín hiệu này đƣợc đƣa vào vi điều khiển PIC16F877A sẽ đƣợc chuyển thành dạng tín hiệu số để xử lý.
3.4.3 Cảm biến nhịp tim
Hình 3.11-Sơ đồ thiết kế của khối cảm biến nhịp tim.
Tín hiệu lối ra của khối cảm biến nhịp tim đƣợc đƣa vào chân số 33 (RB0/INT) của vi điều khiển PIC16F877A để xử lý.
Nguyên lý hoạ động của mạc đ xu ịp tim qua SpO2 ê đầu ngón tay ƣ u:
Hình 3.12-Sơ đồ khối mạch đo nhịp tim dựa trên SpO2. [21, 22]
Trong sơ đồ khối của mạch đo nhịp tim, IR LED đƣợc sử dụng để chiếu sáng vào ngón tay của người sử dụng bằng ánh sáng hồng ngoại. Khi đó cường độ ánh sáng hồng ngoại phản xạ lại Photo Transistor sẽ thay đổi theo huyết áp trong các
71
đầu ngón tay. Mỗi nhịp tim, máu sẽ đẩy ra các mao mạch ở ngón tay làm thay đổi cường độ phản xạ hồng ngoại, khiến điện áp đầu ra phía trên Photo Transistor thay đổi. [23]
Điện áp thay đổi phía trên Photo Transistor (tại điểm A) sẽ đƣợc đƣa qua một mạch lọc thông cao để lọc thành phần một chiều vào mạch với tần số cắt cao:
Sau khi đƣợc lọc thông cao (B), tín hiệu (theo nhịp tim) sẽ đƣợc khuếch đại lên với hệ số khuếch đại tối đa lần (C). Sau đó tín hiệu đã đƣợc khuếch đại sẽ đƣợc lọc thông thấp (D) với mục đích loại bỏ tạp nhiễu ở tần số cao (do ánh sáng, rung…) với tần số cắt thấp:
Tín hiệu cuối cùng đƣợc đƣa vào so sánh với điện áp chuẩn qua mạch so sánh để chuyển đổi từ dạng điện áp tương tự sang dạng điện áp số để đƣa về xử lý trong khối điều khiển. Tín hiệu cuối cùng tại đầu ra (Điểm E) là tín hiệu mức 0 và 1, tương ứng với khi có nhịp tim đập thì đầu ra ra mức sẽ ở mức 1.
72 3.4.4 Ghép nối giao tiếp module XBee
Hình 3.13-Sơ đồ ghép nối module truyền thông XBee.
Vi điều khiển PIC16F877a ghép nối với module truyền thông XBee nhƣ sau: [19]
- Chân số 26 (RC7/RX/DT) của vi điều khiển nối với chân số 2 của module XBee.
- Chân số 25 (RC6/TX/XK) của vi điều khiển nối với chân số 3 của module XBee.
Hai chân này có chức năng truyền và nhận dữ liệu với vi điều khiển PIC16F877a.
- Chân số 1 của XBee nối với nguồn cung cấp 3.3V.
- Chân số 10 của XBee nối với chân GND của vi điều khiển Hai chân này có chức năng cấp nguồn cho XBee hoạt động.
Khi vi điều khiển muốn gửi đi một bản tin nó sẽ gửi đến chân TX và tín hiệu từ chân này sẻ đƣợc đƣa đến chân DIN của module XBee. XBee sẽ truyền thông tin này tới node khác thông qua anten. Ngƣợc lại thông tin