Stetoscop Digital

Proiectul propune realizarea unui stetoscop digital, capabil să capteze sunetele corpului uman prin intermediul unui microfon de înaltă sensibilitate. Utilizatorul va putea începe sau opri înregistrarea prin intermediul unui buton, iar starea va fi indicată de un led RGB. Cât timp înregistrarea este pornită, pe ecranul OLED va fi afișată reprezentarea grafică a semnalului captat de microfon.

Semnalul audio va fi amplificat și filtrat utilizând configurații specifice de filtre, în scopul îmbunătățirii clarității și calității sunetelor percepute. Redarea sunetului se va realiza printr-un difuzor conectat la un amplificator audio, iar volumul va putea fi ajustat cu ajutorul unui potențiometru rotativ.

Arduino Nano reprezintă centrul de control al proiectului, ocupându-se de colectarea datelor, procesarea semnalelor și gestionarea interfeței cu utilizatorul. La acesta sunt conectate următoarele module:

• Microfon MAX4466 – Captează sunetele produse de corpul uman. Semnalul analogic generat este trimis către un pin ADC al microcontrollerului, unde este amplificat și pregătit pentru procesare.
• Amplificator audio PAM8403 – Primește semnalul audio procesat și îl amplifică pentru a fi redat cu claritate. Este conectat la un difuzor de 3 W, ce redă sunetul în timp real.
• Difuzor miniatural – Conectat la ieșirea amplificatorului, asigură redarea clară a sunetelor auscultate.
• Ecran OLED – Afișează tipul de ascultare selectat (ex: cardiac, pulmonar) și alte informații relevante.
• Potențiometru rotativ – Permite ajustarea manuală a volumului. Semnalul său analogic este citit de Arduino printr-un pin ADC.
• Butoane – Folosite pentru pornirea/oprirea înregistrării. Semnalele digitale de la butoane sunt interpretate de Arduino pentru a schimba comportamentul sistemului și afișajul.
• LED RGB - Indică în ce stare se află înregistrarea.

Sistemul hardware este format dintr-un microfon MAX4466 care captează sunetul din mediu și trimite semnalul analogic rezultat către Arduino Nano pe pinul A0 pentru analiză și afișare. Microfonul este alimentat la 5V și GND. Afișajul OLED afișează în timp real forma de undă a semnalului audio, fiind conectat la pinii A4 (SDA) și A5 (SCL) ai Arduino-ului prin protocol I²C. Arduino Nano funcționează ca unitate centrală de control, citind semnalul de la microfon, gestionând afișajul, LED-urile, difuzorul și stările logice ale sistemului. Două butoane conectate la pinii D2 și D3 sunt utilizate pentru a iniția și opri înregistrarea, fiecare fiind conectat la GND prin rezistențe de pull-down. Feedback-ul vizual este oferit de un LED RGB cu anod comun, al cărui segment verde (pe D5) indică starea de repaus, iar segmentul roșu (pe D4) pâlpâie în timpul înregistrării. Controlul volumului este realizat printr-un potențiometru montat între ieșirea de semnal și amplificatorul audio PAM8403, care reglează tensiunea de intrare și permite ajustarea sunetului perceput în difuzor. Amplificatorul este alimentat la 5V și transmite semnalul audio amplificat către difuzor pentru redare clară.

• Arduino Nano
• Modul microfon MAX4466 cu amplificare si castig reglabil
• Modul Mini Amplificator in Clasa D Stereo PAM8403 de 3 W
• Difuzor Mini
• Ecran OLED 0.96”
• Potențiometru rotativ
• Butoane
• LED RGB
• Rezistențe de 5k1 Ohm

Programul funcționează pe o mașină de stări (`State currentState = BEGIN/RECORD`), în care logica principală este împărțită în două stări esențiale: BEGIN și RECORD.

• Starea BEGIN – Așteptare

Această stare este activă imediat după pornirea sistemului. În acest moment, dispozitivul se află în repaus și așteaptă interacțiunea utilizatorului. LED-ul roșu este aprins pentru a semnala starea pasivă, iar LED-ul verde este stins. Speaker-ul este dezactivat. Pe ecranul OLED este afișat un mesaj care îi spune utilizatorului cum să înceapă înregistrarea: Apasă B1 pentru înregistrare.

La apăsarea butonului 1, sistemul inițiază tranziția către starea de înregistrare (RECORD). În acest moment sunt resetate variabilele relevante: beatCount este setat la 0, iar beatDetected este resetat pentru a permite o detecție corectă a următoarelor bătăi. Se pornește cronometrul intern (recordStartTime = time_millies()), iar ecranul este curățat pentru a începe afișarea semnalului cardiac.

• Starea RECORD – Înregistrare activă

În această stare, dispozitivul începe efectiv procesul de monitorizare a bătăilor inimii. LED-ul verde este stins, în timp ce LED-ul roșu clipește la fiecare 500ms, indicând activitatea înregistrării.

În bucla principală a acestei stări, sistemul citește valoarea analogică de la microfonul conectat pe pinul ADC0. Această valoare este convertită într-o poziție verticală y, utilizată pentru desenarea unui grafic asemănător unei electrocardiograme. Dacă valoarea semnalului depășește pragul PEAK_THRESHOLD, sistemul consideră că a fost detectată o bătaie a inimii și incrementează beatCount, cu condiția să nu fi fost deja detectată o bătaie în momentul anterior (evitând astfel detecțiile duble).

Semnalul este desenat în timp real pe display, iar coloanele sunt curățate și desenate continuu.

Înregistrarea poate fi oprită prin apăsarea butonului 2. În acest caz, dispozitivul revine în starea BEGIN. Speaker-ul este dezactivat, iar sistemul calculează automat durata înregistrării și valoarea ritmului cardiac exprimată în BPM, folosind formulele:

• duration = (time_millies() - recordStartTime) / 1000

• BPM = (beatCount * 60) / duration

Datele obținute sunt transmise funcției result_screen(bpm, duration, beatCount), care se ocupă de afișarea rezultatelor și animația cu inima care pulsează.

Proiectul este structurat în mai multe fișiere sursă, fiecare având un rol specific în funcționarea generală a sistemului. În continuare voi descrie în detaliu fiecare fișier:

Acesta este punctul de intrare al programului. Are rolul de a inițializa hardware-ul și de a coordona logica programului bazată pe stări.

Apelează funcțiile de inițializare:

• gpio_init(), adc_init(), timer0_init()

Configurează ecranul OLED cu display.begin() Rulează o buclă while(1) care alternează între două stări:

• BEGIN: Așteaptă butonul 1 pentru a începe înregistrarea.
• RECORD: Citește semnalul de la microfon, detectează bătăi, desenează semnalul pe ecran și calculează BPM la oprirea înregistrării (prin butonul 2).

Integrează controlul LED-urilor și speaker-ului în funcție de starea aplicației. Gestionează afișarea semnalului de puls și menține numărul de bătăi.

Acest fișier definește funcții pentru a configura perifericele microcontroller-ului.

Funcții definite:

gpio_init()

Configurează:

• Butoane ca intrări cu pull-up
• LED-uri ca ieșiri (inițial stinse)
• Pinul pentru speaker ca ieșire (alimentare controlată)

adc_init()

• Setează ADC-ul pentru citirea valorii analogice de la microfon.
• Selectează referința AVCC și un prescaler de 64 pentru un echilibru între viteză și precizie.

timer0_init()

• Inițializează Timer0 în mod CTC pentru a genera o întrerupere la fiecare 1 ms, necesară pentru măsurarea timpului în aplicație.

Fișierul definește variabile și constante globale necesare în întregul proiect.

Include:

• Dimensiunile ecranului OLED: SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT
• Obiectul global display pentru controlul OLED-ului (Adafruit SSD1306)
• Maparea pinilor: pentru microfon, LED-uri, butoane și speaker.
• Praguri de detecție pentru sunetul pulsului: PEAK_THRESHOLD – prag pentru a detecta o bătaie; MIC_THRESHOLD – pentru a desena sau nu semnalul.
• Variabila volatile uint32_t systicks: Contor de milisecunde incrementat prin întrerupere (folosit pentru temporizări).

Acest fișier conține funcțiile de afișare și de interpretare a rezultatelor măsurării.

Funcții principale

ISR(TIMER0_COMPA_vect)

• Rutină de întrerupere la fiecare 1 ms → incrementează `systicks`.

time_millies()

• Returnează timpul curent în milisecunde (bazat pe `systicks`)

begin_screen()

• Afișează ecranul de start cu instrucțiuni pentru utilizator

result_screen(bpm, duration, beatCount)

Afișează rezultatele înregistrării:

• BPM
• Durata
• Numărul de bătăi
• Arată o animație cu o inimioară care pulsează

Setează LED-urile în funcție de nivelul ritmului cardiac:

• Verde: normal (60–100 BPM)
• Portocaliu: alertă moderată (40–60 sau 100–120 BPM)
• Roșu: critic (sub 40 sau peste 120 BPM)

Fișier folosit pentru a centraliza toate bibliotecile necesare.

Include

AVR standard (pentru control hardware):

• avr/io.h – acces la registre
• avr/interrupt.h – permite lucrul cu întreruperi
• util/delay.h – întrârziere în milisecunde sau microsecunde
• stdint.h, stdbool.h

Display OLED:

• Wire.h – comunicare I2C
• Adafruit_GFX.h – interfață grafică pentru desenare (linii, text, bitmap-uri)
• Adafruit_SSD1306.h – suport specific pentru display-ul SSD1306

Conține două array-uri `PROGMEM` (plasate în memoria flash) cu bitmap-uri:

• heartSmall[] – inimă mică
• heartBig[] – inimă mare

Acestea sunt desenate alternativ pe ecran în result_screen() pentru a simula o inimă care pulsează.

Demo proiect

Rezultatele obținute în urma testării arată că proiectul simulează detectarea bătăilor inimii și le contorizează în timp real. Informațiile afișate pe ecranul OLED, mai exact BPM-ul, durata înregistrării și numărul de bătăi, sunt clare și ușor de înțeles, iar animația inimii contribuie la o experiență interactivă și intuitivă pentru utilizator. Aceste elemente fac ca proiectul să fie nu doar funcțional, ci și accesibil și prietenos pentru utilizatori.

Proiectul Stetoscop Digital pune în evidență un mod practic și eficient de a construi un sistem embedded care răspunde la interacțiuni reale. Utilizarea resurselor hardware precum ADC, GPIO, timer și interfața I2C pentru display-ul OLED a permis construirea unei aplicații care combină interacțiunea fizică (butoane, LED-uri, speaker) cu o interfață grafică intuitivă. Această combinație de componente oferă un rezultat vizual și funcțional.

Codul este clar structurat, iar funcționalitatea este împărțită logic, ceea ce face ca proiectul să fie ușor de înțeles și de testat.

Repository Github