AD8232 giao tiếp Arduino, Cảm biến điện nhịp + LCD1602 + Arduino

AD8232 giao tiếp Arduino là dùng Cảm biến điện tim (ECG) Heart Rate Monitor Kit AD8232 sử dụng các điện cực gắn với cơ thể để đo thông số điện tim và truyền về vi điều khiển qua giao tiếp Analog, cảm biến có code mẫu Arduino đi kèm rất dễ sử dụng, phù hợp cho các ứng dụng điện tử y sinh. AD8232 là một mạch cảm biến nhịp tim đơn dẫn chuyên dụng. Cảm biến là một khối điều hòa tín hiệu tích hợp cho ECG và các ứng dụng đo lường thông số sinh học khác. Nó được thiết kế để trích xuất, khuếch đại và lọc các tín hiệu sinh học nhỏ trong điều kiện nhiễu, chẳng hạn như các tín hiệu được tạo ra bởi chuyển động hoặc vị trí đặt điện cực từ xa. Với đầu ra analog thì cảm biến này rất dễ kết nối với vi điều khiển để thực hiện các ứng dụng liên quan đến vấn đề nhịp tim,…  

1. Linh kiện cần thiết làm mạch đọc cảm biến điện nhịp tim AD8232 giao tiếp Arduino

1.1 Vi điều khiển Arduino trong mạch đọc cảm biến điện nhịp tim AD8232 giao tiếp Arduino

a. Giới thiệu

Arduino Uno R3 (Dip) có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA. Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối).

Các chức năng khác

Arduino Uno R3 là một bảng mạch vi điều khiển nguồn mở dựa trên vi điều khiển Microchip ATmega328 được phát triển bởi Arduino.cc. Bảng mạch được trang bị các bộ chân đầu vào/ đầu ra Digital và Analog có thể giao tiếp với các bảng mạch mở rộng khác nhau. Mạch Arduino Uno thích hợp cho những bạn mới tiếp cận và đam mê về điện tử, lập trình…Dựa trên nền tảng mở do Arduino.cc cung cấp các bạn dễ dàng xây dựng cho mình một dự án nhanh nhất ( lập trình Robot, xe tự hành, điều khiển bật tắt led…). Vi xử lý có rất nhiều loại bắt đầu từ 4 bit cho đến 32 bit, vi xử lý 4 bit hiện nay không còn nhưng vi xử lý 8 bit vẫn còn mặc dù đã có vi xử lý 64 bit. Lý do sự tồn tại của vi xử lý 8 bit là phù hợp với một số yêu cầu điều khiển trong công nghiệp.

b. Chức năng của Arduino R3:

• 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive – RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này. Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây. Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết
• Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 2⁸-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite(). Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh 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.

Các chức năng khác

• Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK).  Ngoài các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác.
• LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L). Khi bấm nút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối với chân số 13. Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.
• Arduino Uno R3 có 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. Với chân AREF trên board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog. Tức là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V  → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit. Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác.

1.2 Cảm biến điện nhịp tim AD8232 giao tiếp Arduino

a. Giới thiệu

• Cảm biến điện tim (ECG) Heart Rate Monitor Kit AD8232 sử dụng các điện cực gắn với cơ thể để đo thông số điện tim và truyền về vi điều khiển qua giao tiếp Analog, cảm biến có code mẫu Arduino đi kèm rất dễ sử dụng, phù hợp cho các ứng dụng điện tử y sinh.
• AD8232 là một mạch cảm biến nhịp tim đơn dẫn chuyên dụng. Cảm biến là một khối điều hòa tín hiệu tích hợp cho ECG và các ứng dụng đo lường thông số sinh học khác. Nó được thiết kế để trích xuất, khuếch đại và lọc các tín hiệu sinh học nhỏ trong điều kiện nhiễu, chẳng hạn như các tín hiệu được tạo ra bởi chuyển động hoặc vị trí đặt điện cực từ xa.Với đầu ra analog thì cảm biến này rất dễ kết nối với vi điều khiển để thực hiện các ứng dụng liên quan đến vấn đề nhịp tim,…

b. Thông số kỹ thuật

• Điện áp cung cấp: DC 3.3V
• Loại đầu ra: analog
• Giao tiếp đầu ra: chân cắm 2,54 hoặc giắc cắm tai nghe
• Kích thước: 36 x 31 x 18mm
• Nhiệt độ hoạt động: -40^oC đến +85^oC
• Phần đầu xe được tích hợp đầy đủ với chỉ dẫn điện tâm đồ
• Mặt bằng ảo có thể được tạo thông qua tham chiếu tích hợp
• Bộ lọc RFI được sử dụng nội bộ
• Nguồn cung cấp hiện tại thấp như 170 µA
• Đầu ra là đường sắt đến đường sắt
• Ghim tắt máy
• CMRR là 80 dB
• Bộ khuếch đại RLD kết hợp (ổ chân phải
• Cấu hình điện cực là 2 hoặc 3
• Bộ khuếch đại hoạt động không được cam kết
• Nó chấp nhận điện thế nửa tế bào lên đến ± 300 mV
• LPF có thể thích ứng ba cực với độ lợi thích ứng
• Mức tăng tín hiệu cao khi sử dụng công suất chặn DC
• Bộ lọc lắng có thể được cải thiện bằng cách khôi phục nhanh
• HPF hai cực có thể thích ứng
• 4 mm × 4 mm và gói LFCSP 20 đầu

c. Cấu hình chân

Cảm biến theo dõi nhịp tim như AD8232 bao gồm các chân như chân SDN, chân LO +, chân LO-, chân OUTPUT, chân 3.3V và chân GND. Vì vậy, chúng ta có thể kết nối IC này với các bảng phát triển như Arduino bằng các chân hàn. Ngoài ra, bảng này bao gồm các chân như chân phải (RA), chân trái (LA) & chân phải (RL) để kết nối các cảm biến tùy chỉnh. Một chỉ báo LED trong bảng này được sử dụng để chỉ ra nhịp tim của con người. Cảm biến AD8232 bao gồm một chức năng như khôi phục nhanh, được sử dụng để giảm độ dài của đuôi phân giải dài của HPF. Cảm biến này có thể truy cập được với kích thước 4 mm × 4 mm và gói của cảm biến này là LFCSP 20 đạo trình. Nó hoạt động từ -40 ° C-đến- + 85 ° C nhưng hiệu suất được chỉ định từ 0 ° C-đến-70 ° C.

d. Ứng dụng

• Theo dõi hoạt động của tim và thể dục
• Điện tâm đồ tiện dụng
• Theo dõi sức khỏe từ xa
• Được sử dụng trong các thiết bị chơi game
• Thu nhận tín hiệu thông tin sinh học
• Sinh trắc học
• Nghiên cứu sinh lý học
• Tạo mẫu các dụng cụ y sinh
• Sự thay đổi của nhịp tim
• Tương tác giữa người và máy tính
• Tâm sinh lý

1.3 LCD 1602 cho mạch đọc cảm biến điện nhịp tim AD8232 giao tiếp Arduino

a. Giới thiệu

Màn hình text LCD1602 xanh lá sử dụng driver HD44780, có khả năng hiển thị 2 dòng với mỗi dòng 16 ký tự, màn hình có độ bền cao, rất phổ biến, nhiều code mẫu và dễ sử dụng thích hợp cho những người mới học và làm dự án.

b. Thông số kỹ thuật

• Điện áp hoạt động là 5 V.
• Kích thước: 80 x 36 x 12.5 mm
• Chữ đen, nền xanh lá
• Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1 inch tiện dụng khi kết nối với Breadboard.
• Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hổ trợ việc kết nối, đi dây điện.
• Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để sử dụng ít điện năng hơn.
• Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu
• Có bộ ký tự được xây dựng hổ trợ tiếng Anh và tiếng Nhật, xem thêm HD44780 datasheet để biết thêm chi tiết.

c. Sơ đồ chân LCD 16×2

Số chân	Ký hiệu chân	Mô tả chân
1	Vss	Cấp điện 0v
2	Vcc	Cấp điện 5v
3	V0	Chỉnh độ tương phản
4	RS	Lựa chọn thanh ghi địa chỉ hay dữ liệu
5	RW	Lựa chọn thanh ghi Đọc hay Viết
6	EN	Cho phép xuất dữ liệu
7	D0	Đường truyền dữ liệu 0
8	D1	Đường truyền dữ liệu 1
9	D2	Đường truyền dữ liệu 2
10	D3	Đường truyền dữ liệu 3
11	D4	Đường truyền dữ liệu 4
12	D5	Đường truyền dữ liệu 5
13	D6	Đường truyền dữ liệu 6
14	D7	Đường truyền dữ liệu 7
15	A	Chân dương đèn màn hình
16	K	Chân âm đèn màn hình

Trong 16 chân của LCD được chia ra làm 3 dạng tín hiệu như sau:

• Các chân cấp nguồn: Chân số 1 là chân nối mass (0V), chân thứ 2 là Vdd nối với nguồn+5V. Chân thứ 3 dùng để chỉnh contrast thường nối với biến trở.
• Các chân điều khiển: Chân số 4 là chân RS dùng để điều khiển lựa chọn thanh ghi. ChânR/W dùng để điều khiển quá trình đọc và ghi. Chân E là chân cho phép dạng xung chốt.
• Các chân dữ liệu D7÷D0: Chân số 7 đến chân số 14 là 8 chân dùng để trao đổi dữ liệu giữa thiết bị điều khiển và LCD.

d. Địa chỉ ba vùng nhớ 

• Bộ điều khiển LCD có ba vùng nhớ nội, mỗi vùng có chức năng riêng. Bộ điều khiển phải khởi động trước khi truy cập bất kỳ vùng nhớ nào. a. Bộ nhớ DDRAM
• Bộ nhớ chứa dữ liệu để hiển thị (Display Data RAM: DDRAM) lưu trữ những mã ký tự để hiển thị lên màn hình. Mã ký tự lưu trữ trong vùng DDRAM sẽ tham chiếu với từng bitmap kí tự được lưu trữ trong CGROM đã được định nghĩa trước hoặc đặt trong vùng do người sử dụng định nghĩa. b. Bộ phát kí tự ROM – CGROM
• Bộ phát kí tự ROM (Character Generator ROM: CGROM) chứa các kiểu bitmap cho mỗi kí tự được định nghĩa trước mà LCD có thể hiển thị, như được trình bày bảng mã ASCII. Mã kí tự lưu trong DDRAM cho mỗi vùng kí tự sẽ được tham chiếu đến một vị trí trong CGROM. Ví dụ: mã kí tự số hex 0x53 lưu trong DDRAM được chuyển sang dạng nhị phân 4 bit cao là DB[7:4] = “0101” và 4 bit thấp là DB[3:0] = “0011” chính là kí tự chữ ‘S’ sẽ hiển thị trên màn hình LCD. c. Bộ phát kí tự RAM – CGRAM
• Bộ phát kí tự RAM (Character Generator RAM: CG RAM) cung cấp vùng nhớ để tạo ra 8 kí tự tùy ý. Mỗi kí tự gồm 5 cột và 8 hàng.

e. Các lệnh điều khiển của LCD

• Lệnh thiết lập chức năng giao tiếp “Function set”:
  • Bit DL (data length) = 1 thì cho phép giao tiếp 8 đường data D7 ÷ D0, nếu bằng 0 thì cho phép giao tiếp 4 đường D7 ÷ D4.
  • Bit N (number of line) = 1 thì cho phép hiển thị 2 hàng, nếu bằng 0 thì cho phép hiển thị 1 hàng.
  • Bit F (font) = 1 thì cho phép hiển thị với ma trận 5×8, nếu bằng 0 thì cho phép hiển thị với ma trận 5×11.
  • Các bit cao còn lại là hằng số không đổi.

• Lệnh xoá màn hình “Clear Display”: khi thực hiện lệnh này thì LCD sẽ bị xoá và bộ đếm địa chỉ được xoá về 0.

• Lệnh di chuyển con trỏ về đầu màn hình “Cursor Home”: khi thực hiện lệnh này thì bộ đếm địa chỉ được xoá về 0, phần hiển thị trở về vị trí gốc đã bị dịch trước đó. Nội dung bộ nhớ RAM hiển thị DDRAM không bị thay đổi.
• Lệnh thiết lập lối vào “Entry mode set”: lệnh này dùng để thiết lập lối vào cho các kí tự hiển thị,
  • Bit I/D = 1 thì con trỏ tự động tăng lên 1 mỗi khi có 1 byte dữ liệu ghi vào bộ hiển thị, khi I/D = 0 thì con trỏ sẽ tự động giảm đi 1 mỗi khi có 1 byte dữ liệu ghi vào bộ hiển thị.
  • Bit S = 1 thì cho phép dịch chuyển dữ liệu mỗi khi nhận 1 byte hiển thị.

• Lệnh điều khiển con trỏ hiển thị “Display Control”: 

  • Bit D: cho phép LCD hiển thị thì D = 1, không cho hiển thị thì bit D = 0.
  • Bit C: cho phép con trỏ hiển thị thì C= 1, không cho hiển thị con trỏ thì bit C = 0.
  • Bit B: cho phép con trỏ nhấp nháy thì B= 1, không cho con trỏ nhấp nháy thì bit B = 0.
  • Với các bit như trên thì để hiển thị phải cho D = 1, 2 bit còn lại thì tùy chọn, trong thư viện thì cho 2 bit đều bằng 0, không cho phép mở con trỏ và nhấp nháy, nếu bạn không thích thì hiệu chỉnh lại.
• Lệnh di chuyển con trỏ “Cursor /Display Shift”: lệnh này dùng để điều khiển di chuyển con trỏ hiển thị dịch chuyển 
  • Bit SC: SC = 1 cho phép dịch chuyển, SC = 0 thì không cho phép.
  • Bit RL xác định hướng dịch chuyển: RL = 1 thì dịch phải, RL = 0 thì dịch trái. Nội dung bộ nhớ DDRAM vẫn không đổi.
  • Vậy khi cho phép dịch thì có 2 tùy chọn: dịch trái và dịch phải.
• Lệnh thiết lập địa chỉ cho bộ nhớ RAM phát kí tự “Set CGRAM Addr”: lệnh này dùng để thiết lập địa chỉ cho bộ nhớ RAM phát kí tự.
• Lệnh thiết lập địa chỉ cho bộ nhớ RAM hiển thị “Set DDRAM Addr”: lệnh này dùng để thiết lập địa chỉ cho bộ nhớ RAM lưu trữ các dữ liệu hiển thị.
• Hai lệnh cuối cùng là lệnh đọc và lệnh ghi dữ liệu LCD.

f. Bảng mã ASCII sử dụng cho LCD

 

g. Bảng địa chỉ cho LCD

2. Hướng dẫn đồ án cảm biến điện nhịp tim AD8232 giao tiếp Arduino hiển thị LCD1602

Phần này chưa được chia sẻ.

LIÊN HỆ thông tin ở TẠI ĐÂY để được hổ trợ tốt hơn.

Phần cứng

Phần mềm

unsigned long previousMillis = 0;        // will store last time LED was updated
const long interval = 10;           // interval at which to blink (milliseconds)

#define pin_sinyal A0
int BPM;
void setup()
{
  Serial.begin(9600);
}

void loop()
{
  unsigned long currentMillis = millis();

  if (currentMillis - previousMillis >= interval)
  {
    previousMillis = currentMillis;
    hitung_HR(analogRead(pin_sinyal));
    //    Serial.println(analogRead(pin_sinyal));
  }

  Serial.println(BPM);
}

unsigned long oldtime = 0;
unsigned long newtime = 0;
unsigned long beat_time = 0;
unsigned long cek_beat_time = 0;
int data_now, data_old, delta_data;
bool flag_detek = false;
float HR, HR_old;
void hitung_HR(int data_pulse)
{
  data_now = data_pulse;
  delta_data = data_now - data_old;
  if (delta_data < 0)
    delta_data = delta_data * -1;
  data_old = data_now;

  //Serial.println(data_now);
  //Serial.println(delta_data);
  if (delta_data > 140) // detek pertama
  {
    if (flag_detek == false)
    {
      flag_detek = true;
      newtime = millis();
    }
    else
    {
      beat_time = millis() - newtime;
      if (beat_time < 400)
      {
        newtime = millis();
//        beat_time = millis();
      }
      else
      {
        HR = 60 / (((float) beat_time) / 1000);
        HR = HR * 0.6 + HR_old * 0.4;
        if (abs(HR - HR_old) > 10)
        {
          HR = 60 / (((float) beat_time) / 1000);
          HR = HR * 0.1 + HR_old * 0.9;
        }
        //Serial.println(beat_time);
        flag_detek = false;
        HR_old = HR;
      }
    }

  }

  // cancel pertitungan
  // 150 BPM = 400 ms dan 40 BPM = 1500 ms
  cek_beat_time = millis() - newtime;
  if (cek_beat_time > 10000)
  {
    newtime = millis();
    HR = 0;
  }

  BPM = HR;


}

3. Hoạt động của mạch đọc cảm biến điện nhịp tim AD8232 giao tiếp Arduino

Khi cấp điện hệ thống hoạt động, vi điều khiển hiển thị thông tin ban đầu. Lúc này vi điều khiển chờ tín hiệu từ cảm biến điện nhịp AD8232 trả về thông qua tín hiệu Analog. Khi nhận được tín hiệu vi điều khiển xử lý và xuất giá trị cảm biến nhịp ra LCD theo đơn vị BPM.

4. Cụ thể hoạt động của mạch đọc cảm biến nhịp điện nhịp tim AD8232 giao tiếp Arduino:

Chúc các bạn thành công…!!!