Transistor A1013 là một transistor silicon màng mỏng, thuộc loại transistor thuận (PNP), có độ khuếch đại dòng DC cao.
a. Thông số kỹ thuật: Loại phân cực: PNP
VCEO = 160V VEBO = 6V Dòng điện cực đại: IC = 1A Tần số chuyển đổi: 50MHz
Hệ số khuếch đại(hfe): 2SA1013 (60 ~ 200) 2SA1013R (60 ~ 120) 2SA1013O (100 ~ 200) Nhiệt độ hoạt động tối đa: 150°C
Công suất tiêu tán tối đa: 0,9W b. Sơ đồ chân của KSA1013:
A1013 được sản xuất trong vỏ nhựa TO-92L. Khi nhìn vào mặt phẳng với các chân hướng xuống dưới, ba chân của transistor theo thứ tự từ trái sang phải là cực phát (1), cực thu (2) và gốc (3) như Hình 2.19.
Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 3.1. GIỚI THIỆU
Để thực hiện đề tài “Thiết kế và thi công máy massage sử dụng xung điện sinh học”, nhóm đã tiến hành tìm hiểu một số loại máy nổi bật và giá thành tương đối rẻ trên thị trường. Nhóm quyết định tham khảo máy massage KL – 5830 để phục vụ cho việc nghiên cứu đề tài, vẽ lại hoàn chỉnh sơ đồ nguyên lý cho toàn mạch và phát triển bổ sung thêm một số tính năng cho máy.
3.2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Với đề tài “Thiết kế và thi công máy massage sử dụng xung điện sinh học”, yêu cầu đặt ra cho sản phẩm gồm những yêu cầu sau:
Thiết kế khối khuếch đại xung điện cho máy, trên máy sẽ có nút nhấn để người dùng sử dụng bao gồm nút START/STOP, MODE và 1 switch. Màn hình LCD sẽ hiển thị tần số của xung điện, thời gian masage của người dùng.
Tính toán nguồn sử dụng cho máy và lựa chọn nguồn hợp lý. Khối cảnh báo gồm có led sẽ sáng nhấp nháy khi có lỗi xảy ra.
3.2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Hình 3.1: Sơ đồ khối của sản phẩm
Sau thời gian tìm hiểu để tài, cũng như tham khảo các dòng máy có sẵn trên thị trường, nhóm đã định hình được các thành phần, cấu tạo và những công việc cần thiết. Dựa trên những yêu cầu được đề ra, nhóm đã tiến hành vẽ sơ đồ khối cho sản phẩm để có cái nhìn tổng quan về đề tài và phác họa những công việc cần thiết phải làm trong thời gian tiếp theo. Sơ đồ khối được trình bày trong Hình 3.1 gồm có các khối sau:
Khối xử lý trung tâm: Khối này sẽ nhận những sự kiện xảy ra, những tín hiệu từ khối nút nhấn. Sau đó sẽ xuất xung thích hợp cho từng điều kiện và truyền các thông tin cần thiết ra khối hiển thị, đồng thời gửi tín hiệu đến khối cảnh báo. Khối nút nhấn: Khối này gồm có 2 nút nhấn START/STOP, MODE và 1 swtich
để bật, tắt máy và chuyển đổi chế độ của xung điện.
Khối khuếch đại: Khối này là các mạch khuếch đại gồm nhiều transistor và điện trở đã được tính toán, lựa chọn. Khi nhận xung điện từ vi điều khiển khối sẽ tăng cường độ xung sao cho phù hợp với tiêu chuẩn dành cho máy massage.
Khối cảnh báo: Khối này sẽ nhận tín hiệu, những sự kiện xảy ra từ khối xử lý trung tâm, khối có led sẽ nhấp nháy sau 15 phút sử dụng hoặc người dùng đã mở máy nhưng không chọn chế độ.
Khối hiển thị: Khối này sẽ nhận dữ liệu từ vi điều khiển và hiển thị thông qua màn hình LCD.
Khối nguồn: Nhóm sử dụng nguồn PIN để cung cấp cho tất cả các khối của sản phẩm.
3.2.2. Phân tích sơ đồ nguyên lý máy massage KL – 5830
Sau khi tham khảo mạch PCB của máy, nhóm đã vẽ lại được sơ đồ nguyên lý cho toàn mạch như Hình 3.2. Nguyên lý của máy massage KL - 5830 được chia làm 6 khối:
Khối nút nhấn: Chọn chế độ và tăng/giảm tần số của xung điện.
Khối điểu khiển: Nhận tín hiệu từ khối nút nhấn để điều khiển xuất xung.
Khối khuếch đại: Nhận xung từ khối điều khiển và khuếch đại đến mức thích hợp cho việc massage.
Khối nâng áp và tạo sóng: Nâng áp để nuôi khối khuếch đại và tạo sóng sin. Khối hiển thị: Hiển thị chế độ được chọn.
Khối cảnh báo: Khi nhấn nút sẽ kêu để cho người dùng biết được là tín hiệu được nhận hay chưa.
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý của máy massage KL-5830
3.2.3. Tính toán và thiết kế mạch
a. Thiết kế khối điều khiển
Khối điều khiển là PIC16F887, sơ đồ nguyên lý của khối này được thể hiện chi tiết trong Hình 3.3:
Đối với bộ xử lý này, tốc độ hoạt động phụ thuộc vào mạch tạo xung clock bên ngoài đưa vào bằng cách ghép nối tiếp thạch anh với tụ điện. Thạch anh có các giá trị từ 8MHz đến 20MHz, nhóm chọn giá trị tần số cao nhất để việc xử lý, tính toán và hiển thị được tối ưu nhất. Chọn thạch anh Y1 là 20MHz. Tụ tạo tín hiệu cộng hưởng với thạch anh Y1 là tụ C6 và C7, theo nhà sản xuất giá trị của tụ nên nằm trong khoảng 22 - 35pF. Chọn tụ trong trường hợp này C6 = C7 = 22pF.
Chi tiết nối dây với các khối khác: ● Chân VSS: Nối với mass.
● Chân VDD: Nối với nguồn +5V.
● Chân RA6, RA7: Ngõ vào, nối với thạch anh Y1.
● Chân RB0, RB1: Ngõ vào, nhận tín hiệu từ khối nút nhấn, lần lượt nối với nút nhấn MODE, START/STOP.
● Chân RA4, RA5: Ngõ ra, nối với 2 ngõ vào của khối khuếch đại. ● Chân RC1: Ngõ ra, nối với khối cảnh báo.
● Chân RD0 đến RD7: Ngõ ra, lần lượt nối đến các chân D0 đến D7 của LCD để truyền dữ liệu từ khối điều khiển đến khối hiển thị.
● Chân RE0 đến RE2: Ngõ ra, lần lượt nối đến chân RS, RW, EN của LCD. ● Chân ~MCLR: Ngõ vào, nối với nút nhấn reset để khởi động lại vi điều khiển. b. Thiết kế khối khuếch đại
Dòng ra tối đa của các Port là 25mA
Dòng tối đa cho phép của transistor 2N5551 là 600mA và A1013 là 1A. Cấp 5V cho PIC 16F887 => Áp ra tối đa là 5V
Ta có: 8 600 5 1 mA V R Chọn R1 1k
Áp dụng định luật Ohm, ta tính được Ib, Ic của Q1
mA k V T Ib 5 1 5 ) ( 1 A mA T I T Ic( 1) b( 1)*15 *2001 (1200) Chia dòng tại trở R2,R3
Để đảm bảo cho Ic(Q1) có giá trị tối đa là 4mA thì R3 >> R2
Chọn R2 1k;R3100k (3.1) (3.2) (3.2) (3.2) (3.3)
Áp dụng định luật chia dòng: mA k k k A R R R T I IR C 9,9 100 1 1 * 1 * ) ( 3 2 2 1 2 A mA mA A I T I Q Ib( ) c( ) R 1 9.9 990,1 1 3 1 2
Tại ngưỡng con người có cảm giác đau là 4mA, ta có:
A mA mA Q Ib 0,04 1 100 4 ) ( 1 (2 100)
Áp dụng định luật Kirchhoff 1, ta được:
4 3 b( 1) R R I Q I I mA mA mA Q I I IR R b( 3) 9,9 0,04 9,86 3 4 k mA V R 2,43 86 , 9 24 4 Chọn R4 10k
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý khối khuếch đại
c. Thiết kế khối hiển thị
(3.4) (3.5)
(3.6)
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị
Nhìn vào sơ đồ nguyên lý ở Hình 3.5,ta có thể thấy được các chân được nối như sau:
Các chân D0 đến D7, RS, RW, EN: Đã được giải thích ở phần khối xử lý trung tâm.
Chân A, 5V: Nối với nguồn. Chân K, 0V: Nối với mass.
VR2: Điều chỉnh độ tương phản của màn hình LCD. d. Thiết kế khối nguồn
Nhóm sử dụng nguồn cấp gồm 3 pin sạc BRC có áp ra 3,7V với dung lượng 4800mAh để cấp cho thiết bị hoạt động.
Điện áp cần cấp cho PIC 16F887 hoạt động là 5V(DC) nên nhóm sử dụng mạch chuyển đổi điện áp DC - DC để chuyển đổi điện áp từ 12V về 5V như Hình 3.6.
Hình 3.6: Mạch chuyển đổi điện áp 12V – 5V
Điện áp cần cấp cho khối khuếch đại hoạt động là 24V(DC) nên nhóm sử dụng mạch chuyển đổi điện áp DC - DC để chuyển đổi điện áp từ 12V lên 24V như Hình 3.7.
Hình 3.7: Mạch chuyển đổi điện áp 12V – 24V
3.2.4. Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch
Sau khi đã thiết kế xong sơ đồ nguyên lý cho từng khối, nhóm tổng hợp lại được nguyên lý toàn mạch như Hình 3.8. Mạch hoàn chỉnh gồm các khối cơ bản như đã nêu rõ ở phần thiết kế sơ đồ khối tại mục 3.2.1, tuy nhiên mạch nguyên lý của nhóm không sử dụng buzzer ở khối cảnh báo mà thay bằng led cho đơn giản và tiết kiệm. Vì điện áp cấp cho VĐK và khối khuếch đại hoạt động khác nhau nên nhóm sử dụng 2 khối chuyển đổi điện áp DC – DC để thay đổi điện áp cho thích hợp.
Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 4.1. GIỚI THIỆU
Quá trình thực hiện thi công thiết bị gồm các bước sau: Thiết kế, vẽ sơ đồ mạch in PCB bằng phần mềm Altium. In và làm mạch in.
Kiểm tra mạch in và tiến hành hàn linh kiện theo sơ đồ bố trí. Kiểm tra và chỉnh sửa mạch sau khi hàn linh kiện.
Lắp ráp mạch hoàn chỉnh.
Thiết kế vỏ hộp và lắp ráp mạch vào vỏ hộp
4.2. THI CÔNG HỆ THỐNG
4.2.1. Thi công bo mạch
Dựa vào sơ đồ nguyên lý ở đã phân tích và vẽ ở chương 3, tiến hành vẽ PCB theo các khối với chức năng tương ứng.
a. Sơ đồ bố trí Khối điều khiển
Hình 4.1: Sơ đồ bố trí linh kiện khối điểu khiển
Trong Hình 4.1, khối điều khiển bao gồm:
VĐK là PIC 16F887, có nút reset (SW2) để khởi động lại VĐK.
Biến trở 10k để điều chỉnh độ sáng và hiển thị của LCD.
Nút nhấn On/Off (SW3) cho phép cấp xung và Mode (SW4) để chọn chế độ phát xung theo tần số cài đặt sẵn.
Led2 sẽ nhấp nháy khi cần cảnh báo người dùng.
Nguồn sẽ được cấp vào JP1, đi qua công tắc (Sw) để đảm bảo an toàn cho mạch. Xung điều trị sẽ được xuất ở ngõ ra JP3.
Khối khuếch đại
Hình 4.2: Sơ đồ bố trí linh kiện khối khuếch đại
Trong Hình 4.2, khối khuếch đại được thiết kế bởi transistor 2N5551 (T1, T2) và KSA1013 (Q1, Q2, Q3, Q4), các điện trở và diode 1N4007. JP1 là xung tín hiệu nhận từ VĐK, JP2 là nguồn cấp cho khối khuếch đại hoạt động, JP3 là xung massage cấp cho miếng dán điện cực.2
b. Sơ đồ mạch in
(a) (b)
Sau khi hoàn thiện PCB cho hai khối ta được mạch in như Hình 4.3. In mạch ra board đồng, dùng VOM kiểm tra thông mạch xem các đường dây đã nối với nhau như thiết kế ban đầu hay chưa. Lựa chọn và sử dụng mũi khoan phù hợp với kích thước chân của từng linh kiện để thuận tiện cho việc hàn mạch dễ dàng và chính xác.
Những linh kiện được sử dụng để hoàn thành phần thi công mạch được thống kê trong Bảng 4.1.
Bảng 4.1: Danh sách các linh kiện
STT Tên linh kiện Thông số Giá (đồng) Số lượng Chú thích 1 Pic 15F887 48.000/1c 1 2 LCD 1602 28.000/1c 1 Nền xanh lá, chữ đen 3 Transistor 2N5551 4000/10c 2 NPN 4 Transistor KSA1013 7000/10c 4 PNP 5 Điện trở 1k 1500/50c 6 10k 1500/50c 3 100k 1500/50c 2 6 Biến trở 10k 800/1c 1 Dạng cúc áo 7 Tụ phân cực 10uF 1000/4c 1 8 Tụ không phân cực 22pF 1000/10c 2 9 Thạch anh 20MHz 1300/1c 1 10 Diode 1N4007 1900/10c 1 11 Nút nhấn 2300/1c 2 12 Công tắc 1900/1c 1 13 Dây bus + đầu bus 2 chân 1500/1sợi 3 16 chân 12000/1sợi 1
4.2.2. Lắp ráp và kiểm tra
Quy trình lắp ráp và kiểm tra mạch:
Bước 1: Ủi mạch và ngâm mạch bằng bột sắt hoà tan với nước, sau đó rửa sạch board đồng và tiến hành khoan lỗ.
Bước 2: Hàn linh kiện vào board đồng theo đúng thiết kế của PCB.
Bước 4: Nạp chương trình vào VĐK, sau đó gắn VĐK vào board mạch.
Bước 5: Kết nối ngõ vào với nguồn, ngõ ra với OSC để kiểm tra các chức năng của mạch có hoạt động hay không.
Hình 4.4 và Hình 4.5 là mạch thực tế sau khi tiến hành lắp ráp và hàn linh kiện.
Hình 4.4: Hình ảnh mặt trên và dưới của khối điều khiển sau khi thi công
Hình 4.5: Hình ảnh mặt trên và dưới của khối khuếch đại sau khi thi công
Sau khi thông công mạch, tiến hành kiểm tra các chức năng hoạt động và kết quả hiển thị trên LCD và OSC.
Sau khi kiểm tra, kết quả thu được là mạch chạy ổn định, đầy đủ các chức năng như đã lập trình sẵn cho VĐK.
4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
Sau khi kiểm tra mạch hoạt động tốt thì ta tiến hành thiết kế và đóng hộp để hoàn thiện thành mô hình máy massage. Bộ điều khiển phát xung massage được đặt trong hộp hình chữ nhật in 3D bằng nhựa với kích thước 120x85x50mm.Hình 4.6 là hình ảnh thiết bị đã được đóng hộp và các khối mạch được sắp xếp bên trong hộp như Hình 4.7.
Hình 4.6: Hình ảnh thực tế thiết bị đã được đóng hộp
Hình 4.7: Hình ảnh các khối mạch bên trong hộp
Start/Stop Mode Công tắc Jack cắm Nguồn pin Khối chuyển đổi nguồn Khối khuếch đại Khối hiển thị Khối điều khiển
4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
4.4.1 Lưu đồ giải thuật
Hình 4.8: Lưu đồ giải thuật chính cho vi điều khiển
Giải thích lưu đồ:
Ban đầu khi bật công tắc nguồn, máy sẽ kiểm tra chúng ta có nhấn nút START/STOP hay chưa, nếu chưa nhấn thì máy sẽ tiếp tục ở trạng thái chờ. Nếu ở trạng thái chờ khoảng 5 – 10 giây, máy sẽ bật LED để cảnh báo người sử dụng. Sau khi nhấn nút START/STOP, máy sẽ kiểm tra nút nhấn MODE để chọn chế độ xuất xung. Chế độ bắt đầu mặc định với tần số 50Hz, nút MODE được lập trình ngắt và tăng thêm 1 chế độ khi được nhấn. Trong lúc đang hoạt động, nếu được nhấn nút START/STOP hoặc thời gian sử dụng lớn hơn 15 phút máy sẽ tạm dừng xuất xung.
Hình 4.9: Lưu đồ giải thuật cho nút nhấn MODE (chương trình phục vụ ngắt)
Giải thích lưu đồ:
Khi xảy ra ngắt (nút MODE được nhấn), vi điều khiển sẽ tiến hành điều chỉnh lại chế độ xuất xung và khởi tạo lại timer0 để đếm thời gian. Đồng thời, màn hình LCD sẽ bi xóa và hiển thị các thông số tương ứng. Nếu MODE ở chế độ hiện tại nhỏ hơn 4, MODE sẽ được tăng thêm 1 hoặc sẽ về 0 khi bằng 4.
BEGIN
Xóa màn hình LCD
Trạng thái ACTIVE
MODE = 4
Khởi tạo lại Timer 0
END MODE = MODE++ ĐÚNG MODE = 1 ĐÚNG SAI SAI
Hình 4.10: Lưu đồ giải thuật cho nút nhấn START/STOP
Giải thích lưu đồ:
Khi nút START/STOP được nhấn, chương trình sẽ bị trì hoãn khoảng 10uS để chống dội cho nút nhấn. Máy sẽ chuyển từ chế độ chờ sang chế độ ACTIVE để báo sẵn sàng cho việc chọn chế độ xuất xung, đồng thời khởi tạo lại timer0, đặt chế độ xuất xung là 0. Bên cạnh đó, tắt LED báo động (nếu có).
4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển
a. Giới thiệu phần mềm CCS C Compiler
CCS là trình biên dịch lập trình ngôn ngữ C cho Vi điều khiển PIC của hãng Microchip. Chương trình là sự tích hợp của 3 trình biên dịch riêng biệt cho 3 dòng PIC khác nhau đó là: BEGIN Nhấn START/ STOP Nhấn START/ STOP
Khởi tạo lại Timer 0, MODE = 0 END DELAY 10uS ĐÚNG Chuyển trạng thái sang ACTIVE ĐÚNG SAI SAI Tắt LED báo động
PCB cho dòng PIC 12‐bit opcodes
PCM cho dòng PIC 14‐bit opcodes