Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong bối cảnh xã hội hiện đại và tác động của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư, cường độ làm việc liên tục khiến con người đối mặt với nhiều áp lực thể chất và tinh thần. Tình trạng căng thẳng, đau mỏi cơ bắp, thoái hóa đốt sống cổ và đau nhức vùng lưng - vai - gáy xuất hiện phổ biến ở nhiều lứa tuổi, đặc biệt là nhân viên văn phòng và người cao tuổi. Để giải quyết vấn đề này, các thiết bị trị liệu sử dụng dòng điện xung sinh học ngày càng được ưa chuộng nhờ khả năng giảm đau, tăng cường lưu thông tuần hoàn máu và thư giãn cơ bắp.
Tuy nhiên, các dòng máy massage xung điện ngoại nhập trên thị trường hiện nay (như Beurer EM80 của Đức hay Omron HV-F128 của Nhật Bản) có giá thành dao động từ vài triệu đến hàng chục triệu đồng, tạo rào cản chi phí đáng kể đối với phần lớn người tiêu dùng trong nước. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công máy massage sử dụng xung điện sinh học" của nhóm tác giả Trương Trần Trân Nhi và Phạm Tấn Thành (ngành Kỹ thuật Y sinh, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Thanh Nghĩa) được triển khai nhằm chế tạo một thiết bị massage xung điện tần số thấp có đầy đủ chức năng cơ bản, vận hành an toàn, hiển thị trực quan và giá thành thấp.
Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu, thiết kế phần cứng và thi công hoàn thiện thiết bị massage xung điện sinh học tần số thấp sử dụng vi điều khiển PIC16F887, có màn hình LCD hiển thị trạng thái và các phím chức năng lựa chọn chế độ hoạt động. Nhóm tác giả xác định 8 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:
- Tìm hiểu cách thức hoạt động của xung điện sinh học và tác động sinh lý của nó đến cơ thể người.
- Phân tích sơ đồ nguyên lý của các thiết bị massage có chức năng tương tự ngoài thị trường.
- Thiết kế mạch nguyên lý toàn hệ thống sử dụng vi điều khiển PIC16F887.
- Lập trình điều khiển thiết bị bằng phần mềm CCS C Compiler.
- Thiết kế mạch in (PCB) và thi công lắp ráp phần cứng hoàn chỉnh.
- Chạy thử nghiệm thực tế, đo kiểm dạng sóng và hiệu chỉnh sản phẩm.
- Thực hiện biên soạn báo cáo khoa học.
- Tiến hành bảo vệ đề tài trước hội đồng chuyên môn.
Phạm vi và giới hạn của đề tài được xác lập rõ ràng trong văn bản:
- Thiết bị chỉ có công năng hỗ trợ massage thư giãn và giảm đau cơ học, không có chức năng điều trị hay chữa bệnh chuyên sâu.
- Thiết bị phát xung liên tục và chỉ áp dụng để kích thích mô mềm.
- Hệ thống được lập trình giới hạn ở 3 chế độ phát xung tương ứng với 3 mức tần số cố định (15Hz, 40Hz và 50Hz).
- Thời gian thực hiện đồ án từ ngày 10/03/2020 đến ngày 01/08/2020 tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Cơ sở lý thuyết y sinh học về dòng điện xung
Đề tài vận dụng lý thuyết vật lý trị liệu và điện sinh học về dòng điện xung. Dòng điện xung được định nghĩa là dòng điện do nhiều xung điện liên tiếp tạo nên, xuất hiện trong thời gian ngắn và xen kẽ bởi các khoảng nghỉ ($T = t_a + t_i + t_b + t_p$, trong đó $t_a$ là thời gian dốc lên, $t_i$ là thời gian duy trì, $t_b$ là thời gian dốc xuống, và $t_p$ là khoảng nghỉ).
Tác dụng sinh lý của dòng điện xung lên cơ thể người phụ thuộc chặt chẽ vào dạng xung, tần số ($f = 1/T$) và cường độ dòng điện. Về đáp ứng sinh lý, cơ thể trải qua 3 giai đoạn ngưỡng khi cường độ dòng tăng dần:
- Ngưỡng cảm giác: Cường độ thấp (vài mA), xuất hiện cảm giác râm ran như kiến bò hoặc châm chích nhẹ.
- Ngưỡng co cơ: Dòng điện làm cơ co rút vồng lên và rung theo nhịp xung.
- Ngưỡng đau: Cường độ vượt quá giới hạn an toàn, gây xoắn vặn cơ và đau thắt; đây là trạng thái bắt buộc phải tránh trong trị liệu.
Trở kháng của da bao gồm trở kháng thuần $R_0 \approx 1000,\Omega$ và dung kháng $R_c = \frac{1}{2\pi f C}$. Khi tần số dòng điện tăng, dung kháng $R_c$ giảm xuống, cho phép dòng điện xuyên sâu vào tổ chức cơ mà ít gây kích thích bề mặt da. Ngược lại, ở dải tần số thấp ($f < 1000,\text{Hz}$), dung kháng lớn ($R_c \approx 3200,\Omega$ tại 50Hz) khiến dòng điện tập trung tác động lên lớp nông, gây kích thích thần kinh - cơ mạnh.
| Phân loại dòng xung |
Dải tần số / Đặc điểm xung |
Tác dụng sinh lý và ứng dụng chính |
| Dòng Faradic (Gai nhọn) |
$f = 100,\text{Hz}$, $T = 1 - 1{,}5,\text{ms}$, sườn dốc đứng |
Kích thích thần kinh - cơ mạnh; dùng cho cơ bại, liệt, teo cơ |
| Dòng Leduc (Chữ nhật) |
$f = 100 - 1000,\text{Hz}$, $T = 0{,}01 - 1,\text{ms}$ |
Kích thích cơ hoặc ức chế giảm đau tùy theo tần số và thời gian xung |
| Dòng Lapique (Lưỡi cày) |
Tần số và độ dốc thay đổi, xung dài |
Kích thích các cơ tổn thương, co rút cơ bại liệt |
| Dòng Bernard (Diadynamic) |
Sóng sin một chiều gồm 5 loại (MF: 50Hz, DF: 100Hz, LP, CP, CPid) |
Giảm đau nhanh, giãn mạch, tăng lưu thông máu cục bộ |
| Dòng Nemec (Giao thoa) |
Tần số trung bình ($4000 - 4250,\text{Hz}$), nhịp AMF $0 - 250,\text{Hz}$ |
Tác động sâu vào mô cơ, giảm đau khớp và cột sống, không gây rát da |
Về phác đồ điều trị chung, đối với đau cấp tính, các dòng xung êm dịu có tần số cao ($80 - 200,\text{Hz}$) với độ rộng xung dưới $200,\mu\text{s}$ được chỉ định; đối với đau mạn tính, các dòng xung kích thích mạnh có tần số thấp ($< 50,\text{Hz}$, trung bình $30 - 50,\text{Hz}$) và độ rộng xung trên $200,\mu\text{s}$ được áp dụng để tăng cường tuần hoàn chuyển hóa.
Khảo sát và đối sánh các thiết bị thương mại
Để định hình cấu hình sản phẩm, nhóm tác giả khảo sát thông số kỹ thuật của 4 dòng máy massage xung điện thương mại trên thị trường:
| Dòng máy |
Tần số phát xung |
Nguồn cấp |
Trọng lượng |
Đặc điểm nổi bật |
| KL-5830 |
$1 - 1000,\text{Hz}$ |
Pin |
$500,\text{g}$ |
Thiết kế dạng vòng kẹp cổ, xoa bóp và châm cứu huyệt đạo |
| Omron HV-F128 |
$1 - 1200,\text{Hz}$ |
Pin AAA |
$155,\text{g}$ |
12 chương trình tự động, 5 chế độ massage, màn hình LCD |
| Beurer EM80 |
$1 - 120,\text{Hz}$ |
3 pin AAA |
$235,\text{g}$ |
4 kênh độc lập, 8 điện cực dán, tích hợp 3 trong 1 (TENS/EMS/Massage) |
| Aukewel AK 2000 IV |
$1 - 2500,\text{Hz}$ |
Pin 9V / Adapter 220V-9V |
$160,\text{g}$ |
Tần số cao xuyên sâu, bổ sung chức năng thẩm mỹ |
Phương pháp nghiên cứu và công cụ kỹ thuật
Phương pháp nghiên cứu trong đồ án mang tính thực nghiệm kỹ thuật, bao gồm:
- Phương pháp phân tích - kỹ nghệ ngược: Tháo gỡ và phân tích cấu trúc mạch phần cứng của máy massage KL-5830 để vẽ lại sơ đồ nguyên lý tham chiếu.
- Phương pháp tính toán mạch điện tử: Sử dụng định luật Ohm và Kirchhoff để tính toán các tham số phân cực transistor khuếch đại dòng xung, đảm bảo mức dòng điện kích thích nằm dưới ngưỡng đau ($I < 4,\text{mA}$).
- Phương pháp thiết kế mô hình và phần cứng: Sử dụng phần mềm Altium Designer để vẽ sơ đồ nguyên lý và thiết kế bo mạch in 2 lớp (PCB); sử dụng Solidworks để thiết kế vỏ hộp bảo vệ.
- Phương pháp lập trình nhúng: Xây dựng lưu đồ giải thuật và viết mã nguồn điều khiển vi điều khiển PIC16F887 bằng trình biên dịch CCS C Compiler.
- Phương pháp đo kiểm thực nghiệm: Sử dụng máy hiện sóng dao động ký (Oscilloscope) để kiểm tra dạng sóng, đo đạc tần số phát thực tế ($15,\text{Hz}$, $40,\text{Hz}$, $50,\text{Hz}$) và tiến hành thử nghiệm đáp ứng trực tiếp trên cơ thể tình nguyện viên.
Thiết kế và thi công hệ thống
Hệ thống máy massage xung điện sinh học được cấu thành từ 6 khối chức năng chính liên kết chặt chẽ:
[ Khối nguồn (Pin 11.1V-12V + 2 mạch DC-DC) ]
[ Khối hiển thị (LCD 1602) ] [ Khối cảnh báo (LED) ]
[ Khối nút nhấn (START/STOP, MODE) ]
Tính toán và thiết kế phần cứng
-
Khối xử lý trung tâm (Vi điều khiển PIC16F887):
- Vi điều khiển 8-bit cấu trúc RISC, tập lệnh 35 lệnh, bộ nhớ Flash 8K $\times$ 14-bit.
- Mạch dao động sử dụng thạch anh ngoài $Y_1 = 20,\text{MHz}$ kết hợp 2 tụ cộng hưởng $C_6 = C_7 = 22,\text{pF}$.
- Chân
RB0, RB1 nhận tín hiệu ngắt và điều khiển từ nút MODE và START/STOP.
- Chân
RA4, RA5 đóng vai trò xuất xung điều trị sang khối khuếch đại.
- Chân
RC1 điều khiển tín hiệu LED cảnh báo.
- Cổng Port D (
RD0 - RD7) truyền dữ liệu 8-bit và Port E (RE0 - RE2) xuất tín hiệu điều khiển RS, RW, EN đến màn hình LCD.
-
Khối khuếch đại xung điện:
- Dòng điện ra từ các chân I/O của vi điều khiển bị giới hạn ở mức tối đa $25,\text{mA}$, do đó cần mạch khuếch đại công suất để tạo biên độ xung đủ kích thích cơ bắp.
- Tầng tiền khuếch đại sử dụng 2 transistor NPN 2N5551 ($V_{\text{CEO}} = 180,\text{V}$, $I_C = 600,\text{mA}$, $h_{\text{fe}} = 50 - 250$). Điện trở cực gốc $R_1$ được tính toán chọn $1,\text{k}\Omega$, tạo dòng cực gốc $I_b \approx 5,\text{mA}$.
- Tầng khuếch đại công suất xuất xung sử dụng 4 transistor PNP KSA1013 ($V_{\text{CEO}} = 160,\text{V}$, $I_C = 1,\text{A}$, $h_{\text{fe}} = 60 - 200$).
- Nhằm đảm bảo dòng điện qua cơ thể người không vượt quá ngưỡng đau ($I_{\text{ngưỡng}} = 4,\text{mA}$), mạng điện trở phân dòng và định thiên được tính toán: $R_2 = 1,\text{k}\Omega$, $R_3 = 100,\text{k}\Omega$ và $R_4 = 10,\text{k}\Omega$ (tính toán lý thuyết $R_4 \ge 2{,}43,\text{k}\Omega$ với nguồn cấp $24,\text{V}$).
-
Khối nguồn và khối hiển thị:
- Nguồn sơ cấp sử dụng cụm 3 pin sạc Li-ion BRC 3.7V mắc nối tiếp, dung lượng $4800,\text{mAh}$, điện áp danh định xấp xỉ $11{,}1,\text{V} - 12,\text{V}$.
- Hai module chuyển đổi DC-DC rời được sử dụng: một mạch hạ áp DC-DC từ $12,\text{V}$ xuống $5,\text{V}$ cấp nguồn cho PIC16F887 và LCD 1602; một mạch nâng áp DC-DC từ $12,\text{V}$ lên $24,\text{V}$ cấp nguồn cho tầng khuếch đại xung.
- Màn hình LCD 1602 (16 cột $\times$ 2 dòng) hiển thị chế độ tần số và thời gian đếm ngược trị liệu; biến trở $10,\text{k}\Omega$ điều chỉnh độ tương phản.
- Khối cảnh báo sử dụng đèn LED nhấp nháy (nhóm tác giả thay thế còi buzzer bằng LED để tiết kiệm chi phí và tối giản mạch).
Quy trình thi công và đóng gói mô hình
- Bo mạch in 2 lớp được xuất từ Altium Designer, gia công bằng phương pháp ủi nhiệt và ăn mòn hóa học trong dung dịch bột sắt, sau đó khoan lỗ chân linh kiện và hàn ráp thủ công.
- Toàn bộ bo mạch điều khiển, bo khuếch đại, module nguồn, pin và màn hình LCD được đóng gói trong vỏ hộp nhựa in 3D kích thước $120 \times 85 \times 50,\text{mm}$. Các cổng kết nối, công tắc nguồn chính, nút bấm
START/STOP, MODE và jack cắm điện cực dán được bố trí cố định trên mặt ngoài hộp.
Thuật toán điều khiển hệ thống
Chương trình điều khiển được viết bằng ngôn ngữ C trên nền tảng CCS C Compiler:
- Khi bật công tắc nguồn, hệ thống khởi tạo các cổng ngoại vi, màn hình LCD và chuyển vào vòng lặp chờ phím bấm
START/STOP.
- Nếu thiết bị bật nguồn nhưng người dùng không thao tác chọn chế độ trong khoảng thời gian $5 - 10$ giây, vi điều khiển kích hoạt LED nhấp nháy để cảnh báo trạng thái chờ.
- Khi nhấn
START/STOP, máy phát xung ở tần số mặc định $50,\text{Hz}$. Nút MODE được gắn vào ngắt ngoài, mỗi lần tác động sẽ chuyển đổi tuần tự giữa 3 mức tần số: $15,\text{Hz} \rightarrow 40,\text{Hz} \rightarrow 50,\text{Hz}$.
- Bộ định thời Timer đếm thời gian vận hành; khi chu trình đạt đủ 15 phút hoặc khi người dùng nhấn nút
START/STOP, vi điều khiển sẽ tự động ngắt phát xung nhằm đảm bảo an toàn sinh học.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Tổng quan
Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài dựa trên nhu cầu thực tế về chăm sóc sức khỏe, giảm đau mỏi cơ xương khớp trong đời sống hiện đại. Tác giả phân tích tình hình thị trường máy massage xung điện trong và ngoài nước, chỉ ra sự chênh lệch lớn về giá thành giữa các sản phẩm nhập khẩu và thu nhập người dân. Chương này xác định rõ mục tiêu chế tạo máy massage giá rẻ sử dụng PIC16F887, phân tích 8 nội dung công việc cần thực hiện, đưa ra 3 giới hạn nghiên cứu cụ thể và phác thảo bố cục 6 chương của toàn văn đồ án.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết
Chương 2 cung cấp toàn bộ nền tảng lý thuyết và số liệu linh kiện phục vụ thiết kế:
- Trình bày định nghĩa dòng điện xung, các tham số vật lý của xung điện ($T, t_a, t_i, t_b, t_p, f$), phân loại dòng xung (thấp tần, trung tần, cao tần) và phân tích 5 dạng sóng điều trị kinh điển (Faradic, Leduc, Lapique, Bernard Diadynamic, Nemec).
- Phân tích cơ chế tác động sinh lý: ngưỡng cảm giác, ngưỡng co cơ, ngưỡng đau; hiện tượng quen dòng; mối quan hệ giữa dung kháng da ($R_c$) và tần số phát xung; phác đồ điều trị đau cấp tính và mạn tính.
- Tổng hợp bảng thông số kỹ thuật của 4 máy massage thương mại (KL-5830, Omron HV-F128, Beurer EM80, Aukewel Doctor Care AK 2000 IV).
- Giới thiệu cấu trúc vi điều khiển PIC16F887 (sơ đồ chân, Port I/O, Timer, bộ so sánh), màn hình hiển thị LCD 1602, các đặc tính điện và sơ đồ chân của transistor khuếch đại 2N5551 (NPN) và KSA1013 (PNP).
Chương 3. Tính toán và thiết kế
Chương 3 trình bày giải pháp kỹ thuật và các bước tính toán chi tiết:
- Phân tích sơ đồ nguyên lý mạch PCB tham chiếu từ máy massage KL-5830 gồm 6 khối chức năng.
- Thiết lập sơ đồ khối toàn hệ thống đề tài (khối điều khiển, khối nút nhấn, khối khuếch đại, khối cảnh báo, khối hiển thị và khối nguồn).
- Tính toán thông số mạch tạo dao động thạch anh ($20,\text{MHz}$, tụ $22,\text{pF}$) cho PIC16F887 và chi tiết ghép nối tín hiệu với màn hình LCD 1602.
- Tính toán phân cực tầng khuếch đại vi sai: xác định các giá trị điện trở $R_1 = 1,\text{k}\Omega$, $R_2 = 1,\text{k}\Omega$, $R_3 = 100,\text{k}\Omega$, $R_4 = 10,\text{k}\Omega$ dựa trên giới hạn dòng an toàn $4,\text{mA}$ và điện áp nuôi $24,\text{V}$.
- Thiết kế hai module chuyển đổi nguồn DC-DC ($12,\text{V} \rightarrow 5,\text{V}$ và $12,\text{V} \rightarrow 24,\text{V}$) từ nguồn pin sạc $3 \times 3{,}7,\text{V}$ ($4800,\text{mAh}$).
- Tổng hợp hoàn chỉnh sơ đồ nguyên lý toàn mạch của thiết bị.
Chương 4. Thi công hệ thống
Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình chế tạo và tích hợp sản phẩm:
- Thiết kế sơ đồ bố trí linh kiện và sơ đồ mạch in phủ đồng (PCB) 2 lớp trên phần mềm Altium cho khối điều khiển và khối khuếch đại.
- Liệt kê danh mục và giá thành linh kiện sử dụng thực tế:
| Tên linh kiện |
Thông số / Đặc điểm |
Đơn giá ghi nhận trong đồ án |
Số lượng |
| PIC16F887 |
DIP-40 |
48.000 đ / 1 con |
1 |
| Transistor 2N5551 |
NPN, TO-92 |
4.000 đ / 10 con |
2 |
| Transistor KSA1013 |
PNP, TO-92L |
7.000 đ / 10 con |
4 |
| Điện trở |
$1,\text{k}\Omega$, $10,\text{k}\Omega$, $100,\text{k}\Omega$ |
1.500 đ / 50 con |
11 |
| Biến trở |
$10,\text{k}\Omega$ (dạng cúc áo) |
800 đ / 1 con |
1 |
| Tụ điện |
Phân cực $10,\mu\text{F}$, không phân cực $22,\text{pF}$ |
1.000 đ / bộ |
3 |
| Thạch anh |
$20,\text{MHz}$ |
1.300 đ / 1 con |
1 |
| Diode 1N4007 |
1A |
1.900 đ / 10 con |
1 |
| Nút nhấn & Công tắc |
2 nút nhấn, 1 công tắc gạt |
2.300 đ / cái; 1.900 đ / cái |
3 |
| Dây bus |
2 chân, 16 chân |
1.500 đ / sợi; 12.000 đ / sợi |
4 |
- Trình bày quy trình 5 bước lắp ráp, ngâm ủi mạch in, hàn linh kiện và kiểm tra thông mạch bằng đồng hồ VOM.
- Thiết kế và đóng gói mô hình vào hộp in 3D nhựa kích thước $120 \times 85 \times 50,\text{mm}$.
- Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển chính, lưu đồ xử lý ngắt chuyển chế độ cho nút
MODE, lưu đồ nút START/STOP và cơ chế bảo vệ an toàn thời gian 15 phút.
- Hướng dẫn quy trình thao tác và vận hành hệ thống cho người sử dụng.
Chương 5. Kết quả - Nhận xét - Đánh giá
Chương 5 ghi nhận kết quả đo kiểm dạng sóng và thử nghiệm thực tế:
- Kết quả hiển thị màn hình LCD và dạng sóng trên máy hiện sóng dao động ký (Oscilloscope) ở 3 mức tần số: $15,\text{Hz}$, $40,\text{Hz}$ và $50,\text{Hz}$. Các dạng xung vuông phát ra đúng chu kỳ, biên độ điện áp ổn định.
- Kết quả thử nghiệm lâm sàng thực tế trên 3 sinh viên tình nguyện.
- Đánh giá cảm nhận người dùng đối chiếu với máy thương mại KL-5830: thiết bị tự chế tạo cho cảm giác rung và co rút cơ bắp rõ rệt, êm ái, giảm căng mỏi tốt, không gây bỏng rát hay đau giật cục bộ.
Chương 6. Kết luận và hướng phát triển
Chương 6 tổng kết các hạng mục đã hoàn thành (mạch phần cứng chạy ổn định, đúng tần số thiết kế, hiển thị thông tin rõ ràng trên LCD, chi phí chế tạo thấp) và chỉ ra các điểm còn hạn chế. Tác giả đề xuất định hướng phát triển tiếp theo cho hệ thống.
Kết quả và đóng góp
Kết quả kỹ thuật đạt được
-
Vận hành phần cứng và phần mềm:
- Hệ thống phần cứng hoạt động ổn định, không xảy ra hiện tượng quá nhiệt hay xung đột điện áp giữa khối logic vi điều khiển ($5,\text{V}$) và tầng khuếch đại công suất ($24,\text{V}$).
- Mạch phát xung chuẩn xác tại 3 dải tần số thấp được ghi nhận trên dao động ký: $15,\text{Hz}$, $40,\text{Hz}$ và $50,\text{Hz}$.
- Màn hình LCD 1602 hiển thị chính xác tên chế độ, tần số xung và thời gian hoạt động.
- Cơ chế bảo vệ vận hành chính xác: đèn LED cảnh báo kích hoạt khi người dùng bật nguồn nhưng không chọn chế độ sau $5 - 10$ giây; hệ thống tự động ngắt phát xung sau 15 phút hoạt động liên tục.
-
Thử nghiệm trên người dùng:
- Thử nghiệm trên 3 sinh viên tình nguyện ghi nhận phản ứng cơ bắp đáp ứng đúng giai đoạn co cơ sinh lý êm dịu, không chạm ngưỡng đau; mức độ kích thích tương đương với máy thương mại KL-5830.
-
Chi phí và đóng góp thực tiễn:
- Tác giả đã chế tạo thành công một thiết bị massage xung điện hoàn chỉnh từ các linh kiện điện tử phổ biến trên thị trường Việt Nam với tổng chi phí linh kiện phần cứng rất thấp (dưới $100.000$ VNĐ cho phần mạch điện tử cơ bản theo bảng giá thống kê trong đồ án).
- Đồ án cung cấp một tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh từ phân tích mạch thương mại, tính toán giải tích mạch khuếch đại an toàn y sinh, quy trình gia công mạch PCB đến xây dựng thuật toán nhúng cho dòng vi điều khiển PIC.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế được ghi nhận trong văn bản
- Hệ thống mới chỉ phát xung liên tục ở dạng sóng vuông cơ bản, chưa phát triển được các dạng sóng phức tạp hơn như xung hình sin xoay chiều, xung lưỡi cày hay các dòng Diadynamic biến điệu chu kỳ (LP, CP).
- Số lượng chế độ hoạt động còn hạn chế, cố định ở 3 mức tần số ($15,\text{Hz}$, $40,\text{Hz}$, $50,\text{Hz}$), chưa cho phép người dùng tùy chỉnh độ rộng xung hoặc tinh chỉnh tần số liên tục theo từng bước nhỏ.
- Khối cảnh báo sử dụng đèn LED thay cho còi buzzer phát âm thanh, làm giảm tính trực quan khi người dùng không nhìn trực tiếp vào thiết bị.
- Khối nguồn sử dụng pin và hai mạch DC-DC rời rạc, chưa tích hợp mạch sạc pin tự ngắt trực tiếp trên bo mạch chủ.
Hướng nghiên cứu và phát triển
- Bổ sung biến áp xung vi sai hoặc mạch cầu H để tạo ra các dòng xung xoay chiều, dòng giao thoa Nemec và dòng Diadynamic nhiều pha nhằm mở rộng khả năng trị liệu sâu.
- Nâng cấp phần mềm để bổ sung nhiều chế độ trị liệu chuyên biệt (châm cứu, đấm bóp, giác hơi, cạo gió) và cho phép người dùng tùy chỉnh linh hoạt độ rộng xung ($t_a, t_i, t_b$) cũng như tần số từ $1,\text{Hz}$ đến $1000,\text{Hz}$.
- Tích hợp còi buzzer phát âm thanh cảnh báo và bổ sung cảm biến giám sát tiếp xúc điện cực nhằm tự động ngắt điện khi miếng dán bị hở khỏi da.
- Thiết kế lại bo mạch nguồn tích hợp mạch quản lý sạc pin qua cổng USB Type-C và tối ưu hóa kích thước vỏ hộp nhỏ gọn hơn.
Giá trị tham khảo
Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao đối với:
- Sinh viên và học viên ngành Kỹ thuật Y sinh, Điện tử - Viễn thông, Cơ điện tử: Cung cấp phương pháp luận thực tế trong việc chuyển đổi các kiến thức sinh lý học điện xung thành mô hình mạch điện tử cụ thể.
- Kỹ sư thiết kế thiết bị y tế: Cung cấp tài liệu tham khảo trực tiếp về cách tính toán tầng khuếch đại bảo vệ an toàn sinh học (giới hạn dòng điện dưới ngưỡng đau $4,\text{mA}$), phương pháp phối hợp nguồn đa mức điện áp ($5,\text{V}$ và $24,\text{V}$) và sơ đồ giải mã mạch máy massage thương mại KL-5830.
- Các đề tài nghiên cứu liên quan đến điện châm kỹ thuật số hoặc phục hồi chức năng cơ bắp: Có thể kế thừa sơ đồ nguyên lý, mã nguồn C trên vi điều khiển PIC16F887 và quy trình đo kiểm dạng sóng trên dao động ký.
Câu hỏi thường gặp
1. Vi điều khiển trung tâm và ngôn ngữ lập trình được sử dụng trong đồ án là gì?
Hệ thống sử dụng vi điều khiển 8-bit PIC16F887 của hãng Microchip với thạch anh dao động ngoài $20,\text{MHz}$, được lập trình bằng ngôn ngữ C thông qua trình biên dịch CCS C Compiler.
2. Máy massage trong đồ án hỗ trợ những mức tần số phát xung nào?
Máy được lập trình phát xung liên tục ở 3 mức tần số thấp cố định bao gồm $15,\text{Hz}$, $40,\text{Hz}$ và $50,\text{Hz}$, chuyển đổi thông qua nút nhấn MODE sử dụng ngắt ngoài.
3. Khối khuếch đại xung sử dụng các linh kiện bán dẫn nào và ngưỡng dòng an toàn được tính toán là bao nhiêu?
Khối khuếch đại sử dụng tầng tiền khuếch đại với 2 transistor NPN 2N5551 và tầng khuếch đại công suất với 4 transistor PNP KSA1013 kết hợp diode 1N4007. Mạch được tính toán phân cực điện trở ($R_1 = 1,\text{k}\Omega, R_2 = 1,\text{k}\Omega, R_3 = 100,\text{k}\Omega, R_4 = 10,\text{k}\Omega$) để đảm bảo dòng điện tác động lên cơ thể người không vượt quá ngưỡng đau $4,\text{mA}$.
4. Thiết bị sử dụng nguồn cấp như thế nào và tại sao cần 2 module chuyển đổi DC-DC?
Thiết bị sử dụng bộ nguồn gồm 3 pin sạc Li-ion BRC 3.7V dung lượng $4800,\text{mAh}$ mắc nối tiếp (tổng điện áp khoảng $11{,}1,\text{V} - 12,\text{V}$). Hệ thống cần 2 mạch chuyển đổi DC-DC rời vì vi điều khiển PIC16F887 và màn hình LCD 1602 yêu cầu điện áp hoạt động $5,\text{V}$ (mạch hạ áp $12,\text{V} \rightarrow 5,\text{V}$), trong khi tầng khuếch đại xung massage yêu cầu điện áp nuôi $24,\text{V}$ (mạch nâng áp $12,\text{V} \rightarrow 24,\text{V}$).
5. Cơ chế an toàn tự động của thiết bị được thiết lập như thế nào?
Hệ thống tích hợp hai cơ chế bảo vệ: (1) khi bật máy nhưng ở trạng thái chờ không chọn chế độ sau $5 - 10$ giây, đèn LED sẽ nhấp nháy cảnh báo; (2) khi đang hoạt động, bộ định thời của vi điều khiển sẽ tự động ngắt phát xung sau 15 phút liên tục để tránh hiện tượng kích thích cơ quá mức.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công máy massage sử dụng xung điện sinh học" của nhóm tác giả Trương Trần Trân Nhi và Phạm Tấn Thành đã hoàn thành trọn vẹn các mục tiêu thiết kế phần cứng, lập trình điều khiển và thi công thực tế một thiết bị massage xung điện tần số thấp sử dụng vi điều khiển PIC16F887. Thiết bị vận hành ổn định tại 3 mức tần số $15,\text{Hz}$, $40,\text{Hz}$, $50,\text{Hz}$, hiển thị trực quan trên màn hình LCD 1602 và tích hợp cơ chế tự ngắt an toàn sau 15 phút. Công trình là một mô hình ứng dụng kỹ thuật y sinh điển hình, chứng minh tính khả thi trong việc chế tạo các thiết bị vật lý trị liệu chi phí thấp, an toàn và dễ tiếp cận từ các linh kiện điện tử phổ dụng.
