Sau khi xác định các kỹ thuật và tiến hành phân tích các vấn đề liên quan đến kỹ thuật, nhóm đã sẵn sàng sử dụng những hiểu biết của mình cho việc tạo ra một hệ thống đo lường chất béo cơ thể hoàn chỉnh. Trong khi lên ý tưởng, nhóm đã nhìn lại các kết
37
quả khác nhau chung của các thành viên và xem xét lại các kết luận khác từ những nghiên cứu đã có trước. Nhóm quyết định sử dụng các thơng tin chi tiết sau đây làm hướng dẫn cho sự khám phá và sáng tạo của mình:
- Tạo xung vng có tần số 50kHz
- Thu nhận tín hiệu trở kháng điện sinh học từ người
- Giao tiếp giữa người dùng và hệ thống
3.2.1 Giai đoạn 1: Tạo xung vng có tần số 50kHz và thu nhận tín hiệu trở kháng điện sinh học.
Xung vng thường được tạo ra bằng cách sử dụng một IC tạo xung chuyên dụng. IC 555 là một trong những ứng cử viên sáng giá để thiết kế ra một mạch tạo xung vuông. Tuy nhiên, xung vuông được tạo ra từ IC 555 lại có tần số tương đối nhỏ, nếu muốn tạo được tần số 50kHz đòi hỏi sự phức tạp nhiều hơn ở phần cứng. Vì vậy, nhóm sử dụng một giải pháp khác, có thể tạo được xung vng có tần số đã đề ra mà khơng cần đến bất kỳ phần cứng nào, do đó, có thể tiết kiệm được chi phí cho sản phẩm.
Với ý tưởng đó, sau khi nghiên cứu và tìm hiểu, nhóm nhận ra rằng xung vng cũng có thể tạo ra bằng cách lập trình vi điều khiển. Tạo xung vuông bằng vi điều liên quan đến việc sử dụng bộ Timer trong vi điều khiển và bật một số thanh ghi cần thiết, cụ thể là sử dụng bộ Compare Match OC0A của vi điều khiển AVR. Cách làm này địi hỏi phải tìm hiểu kỹ cách sử dụng thanh ghi trên vi điều khiển AVR, tuy nhiên, lại mang lại một hiệu quả khá cao và dễ dàng điều chỉnh tần số của xung vuông mong muốn.
Xung vuông sau khi được tạo sẽ đi ra khỏi vi điều khiển và đi vào một mạch được sử dụng để thu nhận tín hiệu trở kháng điện sinh học từ cơ thể. Câu hỏi đặt ra cho vấn đề này là:
- Vì có một dịng điện xoay chiều đi qua cơ thể người, làm thế nào để giữ an tồn?
38
- Tín hiệu thu được sẽ quay lại vi điều khiển bằng cách nào?
Với mong muốn giữ an tồn cho người sử dụng khi có dịng điện khoảng 10uA đi qua, nhóm đã quyết định bổ sung thêm một mạch cách ly, sử dụng opto tuyến tính, có khả năng bảo vệ cao. Xung vuông 50kHz đi qua mạch cách ly sẽ không thể quay lại làm nhiễu sóng đang đi tới. Bên cạnh đó, việc bổ sung thêm một mạch điện cách ly sao khi thu được tín hiệu từ cảm biến quay về vi điểu khiển nhằm giảm tối thiểu khả năng gây nguy hiểm cho người sử dụng.
Khái niệm “Cách ly” trong mạch điện và trong 1 hệ thống về bản chất đó là khơng có 1 đường dẫn điện giữa đầu vào và đầu ra. Khái niệm “Cách ly” cũng thường dùng cho tín hiệu và các sub-circuit. Thơng tin của tín hiệu được truyền đi giữa các phần khác nhau của mạch/hệ thống nhưng khơng có mối liên hệ vật lý (ví dụ dây dẫn điện) nào giữa các phần với nhau.
Tại sao các kỹ sư phải thiết kế bộ cách ly?
- Bảo vệ người sử dụng, bảo vệ hệ thống, bảo vệ thiết bị.
- Tính tồn vẹn của tính hiệu (Ví dụ lúc dịch mức điện áp - level shifting, FET drive, motor driver).
- Chống nhiễu tín hiệu trong những trường hợp hệ thống không được nối đất, hoặc
các đầu đo bị thả nổi.
Tiếp đến là cảm biến thu nhận tín hiệu trở kháng điện sinh học. Tín hiệu trở kháng điện sinh học được thu nhận thông qua các điện cực dán tiếp xúc với cơ thể tại một số vị trí. Giai đoạn này cần tìm hiểu và chọn điện cực phù hợp với mục đích sử dụng. Câu hỏi đặt ra cho vấn đề này, vậy điện cực là gì?
39
- Là một phần tử dẫn điện được sử dụng để tạo tiếp xúc điện của một mạch điện
với mơi trường cụ thể nào đó, từ đó thực hiện trao đổi điện tử với môi trường (về điện áp hoặc dòng điện).
- Nguyên lý hoạt động: điện cực thực hiện tiếp xúc và trao đổi điện với môi trường,
nhưng nhu cầu sử dụng dẫn đến hai hướng ngược nhau trong việc chế tạo và sắp đặt điện cực.
Điện cực dẫn truyền điện tích vào mơi trường: vật liệu và bề mặt tiếp xúc được lựa chọn và xử lý để trao đổi điển tự diễn ra thuận lợi nhất.
Điện cực thu nhập thơng tin thì hướng đến sử dụng điện tích ít nhất, tránh ảnh hưởng của điện cực tới môi trường.
- Ứng dụng của điện cực là trao đổi dẫn diện vào hay từ môi trường đối tượng, sao
cho q trình đó xảy ra theo hiệu quả mong muốn, ảnh hưởng của vùng tiếp xúc điện cực với mơi trường tới q trình điện là nhỏ.
Trong đo đạc thì thu nhận điện tích của mơi trường với ảnh hướng ít nhất, điện cực khơng làm lệch phân bố điện trường ở mơi trường.
Trong dẫn dịng điện vào môi trường (điện phân, chống sét,…) thay từ môi trường (pin mặt trời, pin nhiệt,…) thì tổn hao tại tiếp xúc là nhỏ nhất.
3.2.2 Giai đoạn 2: Giao tiếp giữa người dùng và hệ thống
Để có thể tính tốn được phần trăm lượng chất béo trong cơ thể, hệ thống này đòi hỏi người dùng phải cung cấp các thông tin về tuổi, cân nặng và giới tính. Các thơng số này cơ bản có thể được nhập vào thơng qua giao tiếp trên màn hình máy tính khi kết nối phần cứng vào máy tính để lập trình. Tuy nhiên, nếu muốn hệ thống có sự độc lập và khơng phụ thuộc vào máy tính, nghĩa là khơng sử dụng bàn phím và màn hình từ máy tính, hệ thống cần một bộ phận màn hình và các nút nhất riêng biệt. Thông số cần nhập vào chỉ là thống số bằng số, do đó chỉ cần mơt bàn phím có đủ các số và một màn hình vừa phải để ghi nhận và hiện thị thông tin là đủ.
40
Sau khi phần cứng được xác định xong, điều cần thiết tiếp theo là viết một chương trình giao tiếp giữa bàn p hím, màn hình với người dùng. u cầu đặt ra cho phần giao tiếp với người dùng:
- Đơn giản, rõ ràng, dễ dàng thao tác.
- Tối giản về phần cứng.
3.2.3 Giai đoạn 3: Lựa chọn linh kiện và các phần liên quan
Hình 3.1. Cấu trúc logic của hệ thống
Dựa vào những yêu cầu đã đặt ra trong 2 giai đoạn trên, giai đoạn này xác định các loại linh kiện cụ thể được sử dụng để thực hiện đúng các chức năng cần thiết của hệ thống. Các yêu cầu về chức năng như sau:
- Chức năng cách ly: sử dụng opto tuyến tính, độ chính xác cao, phù hợp được sử
dụng trong thiết bị liên quan đến y tế.
- Chức năng đảm bảo tín hiệu được ổn định: sử dụng mạch “unity gain” đảm bảo
tín hiệu trở kháng điện thu được ổn định và giảm sai số.
- Bàn phím: nhập thơng số từ bàn phím số, bàn phím khơng cần phải có chữ, vì
thơng tin u cầu nhập chỉ là số. Cần có thêm phím để khởi động và xóa ký tự khi cần thiết.
- Màn hình hiển thị: nhu cầu về hiển thị đơn giản, ước tính 2 hàng với 16 ký tự là
phù hợp.
- Bộ nạp chương trình từ máy tính sang vi điều khiển
41
- 8 chân vi điều khiển cho giao tiếp LCD 16x8
- 8 chân vi điều khiển cho giao tiếp Keypad 4x4
- 6 chân vi điều khiển cho giao tiếp với cổng nạp
- 1 chân vi điều khiển xuất tín hiệu xung vuông
- 1 chân vi điều khiển thu nhận tín hiệu trở kháng người trở lại vi điều khiển
- 2 chân vi điều khiển giao tiếp UART hiển thị thơng số trên trình mơ phỏng
- 2 chân vi điều khiển nối với thạch anh tạo xung bên ngoài
Như vậy, với các chức năng đã đề ra, vi điều khiển cần tối thiểu 28 chân chức năng, chưa bao gồm các chân VCC, GROUND, AVCC, AREF,….Ngồi ra, cần có các chức năng khác như tạo sóng vng từ nhờ vào chức năng Compare Match trong bộ đếm thời gian Timer, bộ ADC đọc dữ liệu từ ngoài vào vi điều khiển, bộ UART phục vụ cho trình mơ phỏng. Bên cạnh đó, để có thể viết chương trình cho phần mềm, nhóm chọn ngơn ngữ C để lập trình, đây là ngơn ngữ đơn giản nhưng có đầy đủ các chức năng và lệnh cần thiết. Chương trình lập trình CodeVisionAVR được sử dụng, đây là chương trình dễ sử dụng cho người bắt đầu, cũng như có sẵn các thư viện được tích hợp sẵn trong chương trình.
Phần tiếp theo sẽ trình bày tổng quan về các linh kiện được lựa chọn sử dụng trong hệ thống.