Mô phỏng thiết kế máy siêu âm trị liệu

Mục lục
I.

TỔNG QUAN VÀ LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI.................................................................................2

II.

MỤC TIÊU VÀ GIỚI HẠN.....................................................................................................8

2.1.

Mục tiêu..................................................................................................................................3

2.2.

Giới hạn..................................................................................................................................3

III.

NỘI DUNG THỰC HIỆN........................................................................................................4

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.........................................................................................................5
2.1 GIỚI THIỆU SÓNG SIÊU ÂM.....................................................................................................5
2.1.1 Khái niệm..................................................................................................................................5
2.1.2 Ứng dụng sóng siêu âm............................................................................................................6
2.1.2.1 Ứng dụng sóng siêu âm trong y tế.......................................................................................6
2.1.2.1.1 Ứng dụng trong chuẩn đoán.............................................................................................6
2.1.2.1.2 Ứng dụng trong điều trị.....................................................................................................6
2.1.2.2 Các ứng dụng khác...............................................................................................................8
2.2 GIỚI THIỆU ĐẦU DÒ...................................................................................................................8
2.2.1 Khái niệm..................................................................................................................................8

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của đầu dò............................................................................................9
2.2.3 Cấu tạo của đầu dò...................................................................................................................9
2.3 GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN PIC..........................................................................................10
2.3.1 Khái niệm................................................................................................................................10
2.3.2 Một số đặc tính.......................................................................................................................10
2.3.3 Phân loại..................................................................................................................................11
2.4 GIỚI THIỆU IC MAX038...........................................................................................................11
2.4.1 Khái niệm................................................................................................................................11
2.4.2 Các đặc trưng.........................................................................................................................12
2.4.3 Ứng dụng.................................................................................................................................12
2.5 NGUỒN CUNG CẤP....................................................................................................................13
2.5.1 Khái niệm................................................................................................................................13
2.5.2 Nguồn ổn áp xung..................................................................................................................13
Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ..........................................................................................15
3.1 GIỚI THIỆU..................................................................................................................................15
3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG................................................................................15
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống.................................................................................................15

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

1


3.2.2 Tính toán và thiết kế các khối...............................................................................................16
3.2.3

Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch.....................................................................................22

Chương 5: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ..........................................................................23
5.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC................................................................................................................23

5.1.1 Sử dụng Arduino Nano..........................................................................................................23
5.1.2 Sử dụng cảm biến...................................................................................................................23
5.1.3 Sử dụng loa (buzzer)..............................................................................................................23
5.3 NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ............................................................................................................29
Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.......................................................................30
6.1 KẾT LUẬN....................................................................................................................................30
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN................................................................................................................30
Tài liệu kham khảo..............................................................................................................................31

DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1: Khoảng tần số của sóng siêu âm 0.2…………………………………………5
Hình 2.2: Cấu tạo đầu dò...……………………………………………………………10
Hình 2.3: Vi điều khiển PIC....…………………………………………………...…...10
Hình 2.4: IC MAX 038...………………….………………………………………......12
Hình 3.1: Sơ đồ khối...………………………………………………………………...15
Hình 3.2: Khối nguồn [14] ………………...………………………………………….17
Hình 3.3: Khối nguồn công suất [15] …………………………………………….......17
Hình 3.4: Khối tín hiệu……………………………………………………………......18
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý LCD 20x4…………………………………………….......19
Hình 3.6: Khối khuếch đại công suất………………………………………………....20
Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch.……………………………………..................22
Hình 5.1. Hoàn thành phần mạch…………………………………………………......24
Hình 5.2. Hoàn thiện hình dáng gậy………………………………………………......24
Hình 5.3. Hoàn thiện hình dáng gậy………………………………………………......25
Hình 5.4. Gậy không cảnh báo ở mức nhỏ...………………………………………….25

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2

Hình 5.5. Gậy cảnh báo rung, còi buzzer…………………………………………......26
Hình 5.6. Gậy cảnh báo rung, còi buzzer…………………………………………......26
Hình 5.7. Gậy cảnh báo rung, còi buzzer …………………………………………….27
Hình 5.8. Gậy không cảnh báo khi quá mức………………………………………….28

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

3


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1: Bảng giá trị linh kiện khối nguồn…………………………………….........16
Bảng 3.2: Bảng giá trị linh kiện khối nguồn công suất……………………………….17
Bảng 3.3: Bảng giá trị linh kiện khối tín hiệu………………………………………...18
Bảng 3.4: Bảng giá trị khối khuếch đại công suất…………………………………….20
Bảng 5.1: Bảng giá trị thống kết quả qua các lần đo………………………………….29

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

4


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1: TỔNG QUAN
I.

TỔNG QUAN VÀ LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Cuộc sống hiện đại ngày nay theo một dòng chảy nhộn nhịp và hối hả. Mọi

người tập trung vào công việc mà thờ ơ với sức khỏe của chính mình. Một ngày chúng
ta ngồi một chỗ từ 8 đến 12 giờ mà không vận động tay chân, cơ thể.Việc ít vận động
như thế sẽ làm tăng nguy cơ béo phì, thừa cân và sức khỏe không tốt. Bên cạnh đó việc
vận động quá sức cũng là những nguyên nhân ảnh hưởng đến sức khỏe. Đặt biệt các
bệnh về xương khớp là một trong những bệnh dễ mắc phải từ việc vận động sai cách
của chúng ta.
Theo thống kê tại Đại hội do Hội Chấn thương chỉnh hình Việt Nam và Bệnh
viện Việt Đức tổ chức, đã cho thấy số người mắc bệnh xương khớp ở Việt Nam ngay
càng gia tăng và có xu hướng trẻ hóa. WHO cũng xếp Việt Nam vào nhóm các nước có
tỷ lệ dân số mắc bệnh xương khớp cao nhất thế giới. Trước đây, thoái hóa khớp thường
gặp ở những người từ 50 tuổi trở lên do quá trình lão hóa tự nhiên nhưng hiện nay,
thống kê cho thấy, tình trạng thoái hóa khớp ngày càng trở nên phổ biến ở người mới
35 tuổi, thậm chí trẻ hơn. Dù chưa có thống kê đầy đủ nhưng với 30% người trên 35
tuổi, 60% người trên tuổi 65 và 85% người trên tuổi 80 bị thoái hóa khớp, đây đang là
thách thức của y tế Việt Nam. Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) coi thập niên 2011 - 2020
là “Thập niên xương và khớp” [1]. Trong khi đó, tại các khoa cơ xương khớp ở các
bệnh viện hằng ngày có từ vài chục đến hàng trăm người mắc bệnh xương khớp đến
thăm khám. Đáng chú ý, tại BV Chợ Rẫy, có đến 64.000 lượt bệnh nhân đến Phòng
khám khớp của bệnh viện thăm khám trong một năm. Còn tại BV Chấn thương chỉnh
hình TP Hồ Chí Minh, nếu trung bình mỗi ngày Phòng khám khớp giải quyết khám
cho 250 bệnh nhân như hiện nay thì số lượng bệnh nhân đến khám trong một năm tính
ra khoảng 90 nghìn lượt khám[2].
Trước thực trạng như vậy nhà nước cũng đã có các biện pháp cải thiện các bệnh
viện, trung tâm cơ sở thăm khám. Tuy nhiên cũng còn nhiều khó khăn và thách thức
bởi mạng lưới chẩn đoán, chăm sóc chưa phổ biến và có độ phủ rộng khắp.Việc điều
trị các bệnh xương khớp chưa được quan tâm, điều trị hợp lý nhất là các vùng nông
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2

thôn. Những nghiên cứu đã cho thấy, với các bệnh lý xương khớp, các chấn thương
nhẹ về da, gân, xương xảy ra ngay từ giai đoạn đầu của bệnh đều có thể điều trị từ các
thiết bị trị liệu.Vì thế chúng ta cần quan tâm đến sức khỏe, xương khớp của chính mình
ngay từ lúc có những nguy cơ ban đầu.
Trên thị trường đã có rất nhiều phương pháp, trang thiết bị hỗ trợ việc điều trị
về các bệnh xương khớp với những chức năng, tác dụng khác nhau. Nhưng giá thành
còn khá cao nên việc từng cá nhân hay hộ gia đình tự mình trang bị một thiết bị vẫn
còn hạn chế. Trong các loại máy hỗ trợ trị liệu thì máy siêu âm trị liệu cũng là một
trong những lựa chọn của các bệnh viện, trung tâm và các gia đình về việc điều trị.
Máy có siêu âm trị liệu tác dụng lên các tổn thương xương, khớp và cơ sau chấn
thương: bầm tím, bong gân, sai khớp, gãy xương, đau lưng do thoát vị đĩa đệm,vết
loét, vết siệu và điều trị thẫm mỹ … thông qua sóng siêu âm có tần số dao động từ 1-3
MHz [3].
Qua đó, chúng ta thấy được sự cần thiết và phù hợp của một máy siêu âm trị
liệu với việc điều trị, chăm sóc sức khỏe. Với mong muốn mang các thiết bị như thế
gần gũi hơn đến mọi người. Nên nhóm chúng em quyết định chọn đề tài về nghiên cứu
và thiết kế một máy siêu trị liệu dùng trong vật lý trị liệu có tần số 1MHz và 3 MHz.
II.

MỤC TIÊU VÀ GIỚI HẠN
II.1. Mục tiêu
- Thiết kế được mạch tạo tần số 1MHz và 3MHz, mạch lọc và khuếch đại tần

II.2.
-

-

số, mạch đếm thời gian,mạch khuếch đại tần số.
Hiển thị thời gian, tần số sử dụng.
Điều chỉnh được thời gian sử dụng.
Hoàn thiện máy siêu trị liệu có tần số 1MHz và 3MHz dùng trong vật lý trị

-

liệu.
Sử dụng trong nghiên cứu, đảm bảo an toàn về điện với người sử dụng.
Đáp ứng được các tiêu chuẩn y tế quy định về máy siêu âm trị liệu.
Giới hạn
Máy siêu trị liệu chỉ được ứng dụng trong nghiên cứu.
Máy sử dụng có tần số 1MHz và 3MHz và chức năng dùng trong trị liệu.
Không thiết kế đầu dò trị liệu.
Sử dụng cố định một chỗ với nguồn điện 220V.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

3


-

III.

Kích thước 40x30x30 cm (dài x rộng x cao).

NỘI DUNG THỰC HIỆN
-

Tìm hiểu sóng siêu âm, cách tạo sóng siêu âm, ứng dụng sóng trong trị liệu.
Tìm hiểu mạch lọc, mạch khuếch đại tần số, mạch khuếch đại công suất…
Tìm hiểu đầu dò trị liệu.
Tìm hiểu mạch đếm thời gian và hiển thị.
Thiết kế mạch lọc RC, mạch khuếch đại tần số, mạch nguồn.
Thiết kế và thi công mạch tạo tần số 1MHz và 3 MHz.
Thiết kế mạch khuếch đại công suất.
Viết chương trình điều khiển cho PIC, nạp code và chạy thử nghiệm sản

-

phẩm, chỉnh sửa và hoàn thiện mạch.
Hoàn thiện máy siêu âm và thử nghiệm.
Chỉnh sửa và khắc phục những hạn chế.
Thực hiện viết sách luận văn báo cáo.
Tiến hành báo cáo đề tài.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

4


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 GIỚI THIỆU SÓNG SIÊU ÂM
2.1.1 Khái niệm
Siêu âm là sóng cơ học hình thành do sự lan truyền dao động của các phần
tử trong không gian có tần số lớn hơn ngưỡng tai người có thể nghe (là 16-20KHz).
Ngoài ra, nó có thể lan truyền trong nhiều môi trường như không khí, các chất rắn

và lỏng với tốc độ gần bằng tóc độ âm thanh [4].
Các đại lượng đặc trưng của sóng siêu âm:
 Chu kỳ T(s) là khoảng thời gian mà sóng thực hiện một lần nén và giản.
 Tần số f(Hz) là số dao động thực hiện được trong 1 giây.
 Biên độ: biểu thị mức độ thay đổi áp suất trong quá trình dao động
 Cường độ là năng lượng mà sóng siêu âm truyền trong một đơn vị thời gian
qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền âm. Công thức
tính I=P/S.
Trong đó: P là công suất của nguồn âm (W).
S là diện tích miền truyền âm (m2)

Hình 2.1: Khoảng tần số của sóng siêu âm 0.2

Sóng siêu âm là những sóng có tần số cao hơn 18 KHz. Giới hạn trên của tần số
sóng siêu âm là 5 MHz đối với chất khí và 500 Mhz đối với chất lỏng hay chất rắn
[4]. Tốc độ siêu âm truyền qua một môi trường liên quan trực tiếp với mật độ của
môi trường đó. Môi trường đậm đặc hoặc rắn chắc hơn sẽ có tốc độ truyền âm lớn
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

5


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

hơn. Với tần số 1MHz, tốc độ của siêu âm trong mô mềm là 1540m/s, trong khi
trong xương là 4000m/s.
2.1.2 Ứng dụng sóng siêu âm
2.1.2.1 Ứng dụng sóng siêu âm trong y tế
Trong y học, siêu âm là hình thức được dùng rộng rãi với nhiều mục đích
khác nhau như chuẩn đoán, phá hủy tổ chức bệnh lý hoặc điều trị.

2.1.2.1.1 Ứng dụng trong chuẩn đoán
Đó là một phương phát khảo sát hình ảnh bằng cách tiếp xúc sóng siêu
âm với bộ phận cơ thể nhằm tạo ra hình ảnh quan sát được bên trong cơ thể.
Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của siêu âm chuẩn đoán là theo dõi
hình ảnh thai nhi trong quá trình mang thai. Phương pháp siêu âm này không
cần xâm lấn, mà vẫn có thể giúp bác sĩ có thể đưa ra các chuẩn đoán và điều trị
bệnh một cách hiệu quả nhờ vào sóng âm di chuyển tự do qua dịch và các mô
mềm trong cơ thể [5].
Các kiểu siêu âm phổ biến:
 Quy ước: tạo ra những hình ảnh các lát cắt mỏng và phẳng của cơ thể.
 3 chiều (3D): tái tạo lại dữ liệu thu nhận từ sóng siêu âm thành hình ảnh
3 chiều
 4 chiều (4D): là siêu âm 3D có thêm sự chuyển động.
 Doppler: kỹ thuật nhằm đánh giá dòng máu chảy bên trong các mạch
máu [2].
2.1.2.1.2 Ứng dụng trong điều trị
Siêu âm trị liệu là một trong những hình thức điều trị phổ biến nhất,
cùng với kích thích điện, nhiệt và lạnh bề mặt. Nó là công cụ hữu hiệu để điều
trị đau, các tổn thương mô mềm và có tác dụng làm lành vết thương và dẫn
truyền thuốc qua da. Siêu âm dung trong điều trị có tần số nằm trong vùng từ 1
tới 3 MHz. Tần số càng cao, sự tản mát càng thấp và âm càng dễ hội tụ hơn và
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

siêu âm được sử dụng có công suất từ 0,1 - 3W/cm2 nhằm tăng sự hấp thụ các
mô mềm, với tần số này tai người không thể nghe thấy [6].



Sửa chữa và tái sinh mô mềm



Mô sẹo và cứng khớp



Kéo giãn mô liên kết



Viêm mạn



Liền xương



Hấp thụ canxi lắng đọng



Giảm đau



Mụn cơm gan bàn chân

Siêu âm liên tục và siêu âm xung:
Hầu như mọi thiết bị siêu âm điều trị đều có thể phát tại chế độ liên tục
và chế độ xung. Nếu siêu âm được phát liên tục, cường độ siêu âm hằng định
trong suốt quá trình điều trị và năng lượng sóng được tạo ra trong toàn bộ
khoảng thời gian xét (100% thời gian).
Với siêu âm xung, cường độ bị ngắt một cách tuần hoàn, với sự vắng
mặt của sóng âm trong thời gian nghỉ xung. Khi dùng siêu âm xung, năng
lượng trung bình theo thời gian giảm đi. Phần trăm thời gian có siêu âm (độ
rộng xung) so với chu kỳ xung (độ rộng xung + khoảng cách giữa các xung)
được gọi là chu kỳ hoạt động.
Chu kỳ hoạt động = độ rộng xung (thời gian có xung) x 100%/ chu kỳ
xung
Chu kỳ xung = thời gian có xung + thời gian nghỉ xung
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

7


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Siêu âm trị liên tục được dùng nhiều nhất khi cần tăng nhiệt tổ chức.
Siêu âm xung được dùng khi muốn giảm tác dụng nhiệt. Siêu âm xung hoặc
siêu âm liên tục cường độ nhỏ được dùng để tạo các hiệu ứng phi nhiệt liên
quan với quá trình lành các vết thương mô mềm.
Các tác dụng trong trị liệu:

 Tác dụng sinh học của siêu âm
Từ tác dụng cơ học và tác dụng sinh nhiệt dẫn đến hàng loạt tác dụng sinh

học tạo nên hiệu quả siêu âm điều trị là:
-

Tăng tuần hoàn và dinh dưỡng do tăng nhiệt độ, tăng tính thấm của
mạch máu và tổ chức.

-

Giãn cơ do kích thích trực tiếp của siêu âm lên các thụ cảm thể thần
kinh.

-

Tăng tính thấm của màng tế bào.

-

Kích thích quá trình tái sinh tổ chức.

-

Tác dụng lên hệ thần kinh ngoại vi.

-

Giảm đau [4].

 Tác dụng nhiệt của siêu âm
Sự sinh nhiệt trong tổ chức do tác dụng của siêu âm là do hiện tượng cọ
xát chuyển từ năng lượng cơ học sang năng lượng nhiệt. Đối với siêu âm, có

thể tác động tới độ sâu 1/2 từ 3-5cm.
Để tăng nhiệt độ mô mềm ở độ sâu trên 8cm, cần dùng siêu âm với cường
độ lớn hơn 1,5w/cm2. ở độ sâu dưới 8cm có thể dùng siêu âm cường độ
1w/cm2. Khi nghiên cứu tác dụng sóng ngắn, vi sóng và siêu âm để làm tăng

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

8


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

nhiệt độ khớp háng thì thấy chỉ có siêu âm mới có thể làm tăng nhiệt độ tới
mức có hiệu lực điều trị [7].
2.1.2.2 Các ứng dụng khác
Dùng làm các thiết bị cảm biến: cảm biến không tiếp xúc, cảm biến chuyển
động và đo lường, … Ngoài ra, trong công nghiệp dùng trong kiểm tra và tìm
kiếm lỗi các thiết bị, làm sạch các thiết bị bằng siêu âm.
2.2 GIỚI THIỆU ĐẦU DÒ
2.2.1 Khái niệm
Đầu dò siêu âm hoặc cảm biến siêu âm là một loại cảm biến âm thanh được chia
thành ba loại chính: máy phát, máy thu và máy thu phát. Máy phát chuyển đổi tín
hiệu điện thành siêu âm, máy thu chuyển đổi siêu âm thành tín hiệu điện và máy thu
phát có thể vừa truyền và nhận siêu âm.
Theo cách tương tự như radar và sonar, đầu dò siêu âm được sử dụng trong các
hệ thống đánh giá mục tiêu bằng cách giải thích các tín hiệu phản xạ. Ví dụ, bằng
cách đo thời gian giữa việc gửi tín hiệu và nhận tiếng vang, khoảng cách của một
đối tượng có thể được tính toán. Cảm biến siêu âm thụ động về cơ bản là micro phát
hiện tiếng ồn siêu âm có trong một số điều kiện nhất định [8].
2.2.2 Nguyên lý hoạt động của đầu dò

Đầu dò máy siêu âm là thiết bị có khả năng thu và phát sóng siêu âm có các tần
số khác nhau tùy thuộc vào chức năng của đầu dò như siêu âm tim, siêu âm ổ
bụng…mà có thiết kế và tần số siêu âm phát ra khác nhau. Khi siêu âm, các tinh thể
bên trong đầu dò phát ra các sóng siêu âm truyền vào bên trong cơ thể. Các mô,
xương và chất lỏng trong cơ thể – một phần hấp thụ hoặc truyền qua – một phần
phản xạ lại sóng âm và quay ngược trở lại đầu dò. Đầu dò thu nhận sóng âm phản
hồi, gửi các thông tin này tới bộ xử lý, sau khi phân tích các tín hiệu phản hồi bằng
các phần mềm và thuật toán xử lý ảnh, kết hợp các thông tin để xây dựng và tái tạo
thành hình ảnh siêu âm mà chúng ta nhìn thấy trên màn hình.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

9


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.2.3 Cấu tạo của đầu dò
Một trong những phần quan trọng nhất của một máy siêu âm là đầu dò siêu âm. Nếu
không có nó, sẽ không có dữ liệu để truyền cho CPU và sẽ được hiển thị trên màn
hình.
Đầu dò siêu âm hoạt động như miệng và tai của máy. Nó phát ra sóng âm thanh cho
bệnh nhân và nhận được rung động, thông tin thu thập được bằng thăm dò sau đó được
truyền cho CPU [9].
 Tinh thể gốm của đầu dò được nuôi bằng các chuỗi xung cao tần. Cứ sau mỗi
xung phát đầu dò lại làm nhiệm vụ tiếp nhận sóng hồi âm. Độ lặp lại của các
chuỗi xung phụ thuộc vào độ sâu tối đa cần chẩn đoán


Đầu dò của máy siêu âm có nhiều dải tần số (2-8 dải)

 Các điện cực áp vào 2 mặt của tinh thể áp điện.
 Lớp giảm rung để tạo ra một dao động tắt dần nhanh sau khi ngừng tác dụng
xung điện.
 Lớp đệm để tăng cường khả năng truyền năng lượng xung siêu âm truyền ra
ngoài (giảm sự hao tổn).

Hình 2.2: Cấu tạo đầu dò

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

10


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.3 GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN PIC
2.3.1 Khái niệm
Pic là một họ vi điều khiển RISC được sản xuất bởi công ty Microchip
Technology. Dòng PIC đầu tiên là PIC1650 được phát triển bởi Microelectronics
Division thuộc General Instrument. PIC sử dụng tập lệnh RISC, với dòng PIC lowend và mid-range (độ dài mã lệnh 14 bit, ví dụ: PIC16Fxxxx), tập lệnh bao gồm
khoảng 35 lệnh, và 70 lệnh đối với các dòng PIC high-end [10].

Hình 2.3: Vi điều khiển PIC

2.3.2 Một số đặc tính
Do có nhiều dòng pic khác nhau nên phần cứng cũng có nhiều khác biệt:
 8/ 16bit CPU, xây dựng theo kiến trúc Harvard.
 Flash và ROM có thể tuỳ chọn từ 256 byte đến 256 Kbyte.
 Các cổng Xuất/Nhập (I/O ports) (mức logic thường từ 0V đến 5.5V, ứng với

logic 0 và logic 1).
 8/16 Bit Timer.
 Các chuẩn Giao Tiếp Ngoại Vi Nối Tiếp Đồng bộ/Không đồng bộ USART,
AUSART, EUSARTs.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

11


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

 Bộ chuyển đổi ADC Analog-to-digital converters, 10/12 bit.
 MSSP Peripheral dùng cho các giao tiếp I²C, SPI, và I²S.
 Module Điều khiển động cơ, đọc encoder.
 Bộ nhớ nội EEPROM - có thể ghi/xoá lên tới 1 triệu lần.
 Hỗ trợ giao tiếp USB, CAN, LIN, IrDA [8].
2.3.3 Phân loại
 Vi điều khiển 8-bit (PIC10, PIC12, PIC14, PIC14 PIC16, PIC17, PIC18).
 Vi điều khiển 16-bit (PIC24).
 Bộ điều khiển xử lý tín hiệu số 16-bit (dsPIC) (ssPIC30, dsPIC33F).
 Bộ điều khiển xử lý tín hiệu số 32-bit (PIC32) (PIC32) [10].
2.4 GIỚI THIỆU IC MAX038
2.4.1 Khái niệm
MAX038 là một ic có chức năng chính xác, tần số cao, đồng thời tạo ra các
dạng sóng rang cưa, hình sin, vuông và xung từ các thành phần hỡ trợ bên ngoài.
Tần số ngõ ra có thể được điều khiển trong dải tần từ 0.1 Hz đến 20 Mhz. Đồng thời
chu kỳ công tác được thay đổi trong phạm vi rộng bằng tín hiệu điều khiển ± 2.3V,
tạo điều kiện cho điều chế độ rộng xung và tạo ra dạng sóng răng cưa. Điều chế tần

số và quét tần số đạt được theo cùng một cách. Các chu kỳ nhiệm vụ và điều khiển
tần số là độc lập [4].
Qua đó có thể đặt mã thích hợp ở hai chân chọn tương thích TTL để lựa chọn dạng
sóng ở ngõ ra (sóng hình sin, hình vuông hoặc hình tam giác). Tín hiệu đầu ra cho
tất cả các dạng sóng là tín hiệu 2VP-P đối xứng quanh mặt đất. Đầu ra trở kháng
thấp có thể điều khiển lên tới ± 20mA [11].

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

12


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.4: IC MAX 038

2.4.2 Các đặc trưng
 Dải tần hoạt động 0,1Hz đến 20 MHz.
 Dạng sóng tam giác, răng cưa, hình sin, hình vuông và xung.
 Điều chỉnh tần số độc lập và chu kỳ công tác.
 Phạm vi quét tần số 350 đến 1.
 Chu kỳ thuế biến đổi 15% đến 85% [11].
 Bộ đệm đầu ra trở kháng thấp: 0,1Ω.
 Nhiệt độ thấp 200ppm / ° C.
2.4.3 Ứng dụng
 Bộ điều biến tần số.
 Tổng hợp tần số.
 Máy phát điện FSK Sine Sine và Sóng vuông.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

13


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

 Vòng khóa pha (PLL).
 Máy phát điện chức năng chính xác.
 Bộ điều biến độ rộng xung.
 Dao động điều khiển bằng điện áp [11].
2.5 NGUỒN CUNG CẤP
2.5.1 Khái niệm
Nguồn cung cấp có chức năng tạo ra năng lượng cần thiết kế để cung cấp cho
các thiết bị điện hoặc điện tử cần làm việc. Bình thường nguồn năng lượng là nguồn
điện áp một chiều lấy từ mạng lưới điện xoay chiều 220 V hoặc từ nguồn pin, ắc
quy. Đôi khi cung cấp cho mạch ngõ vào ra có thể là xoay chiều hay là một chiều.
Nhưng quan trọng hơn cả là nguồn một chiều. Nó biến đổi điện áp xoay chiều thành
điện áp một chiều thông qua biến áp. Yêu cầu đối với loại nguồn này là điện áp ra ít
phụ thuộc vào sự biến thiên của điện áp mạng, tải và nhiệt độ. Để đạt được các yêu
cầu đó cần phải dùng các mạch ổn định (ổn áp, ổn dòng). Yêu cầu về độ ổn định của
các điện áp cung cấp rất khác nhau. Đối với một số thiết bị chỉ cần cung cấp điện áp
thông thường (không ổn áp), ngược lại với một số thiết bị khác như thiết bị đo thì
điện áp cung cấp chỉ cho phép dao động trong khoảng vài so xung quanh giá trị
trung bình của nó. Đối với các thiết bị số, điện áp cung cấp được cho phép lao động
trong khoảng vài
Các tham số cơ bản của một mạch nguồn là mức điện áp và dòng điện ra, công
suất ra cực đại, độ ổn định điện áp ra, điện trơ trong, hệ số nhiệt của điện áp ra,
mức gợn sóng ở đầu ra, khả năng chịu đựng ngắn mạch, cải nhiệt độ , kích thước
[12].
2.5.2 Nguồn ổn áp xung
Nguồn ổn áp áp xung là lấy ra điện áp nhỏ từ một điện áp vào lớn với hiệu suất

cao hoặc khi điện áp đầu vào có nhiều thay đổi. Nguyên lý cơ bản có 4 khâu:
 Chuyển mạch công suất là một transitor công suất.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

14


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

 Mạch lọc và chống điện áp cảm ứng ngược.
 Mạch so sánh ra với điện áp chuẩn.
 Mạch điều khiển thời gian đóng mở chuyển mạch công suất.
Nguồn ổn áp xung cho hiệu suât cao và có dải ổn định điện áp rộng, nhưng tốc độ
điều khiển thấp, điện áp ra có độ gợn sóng thấp [12.].

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

15


CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
3.1 GIỚI THIỆU
- Tính toán, thiết kế khối nguồn, đảm bảo cung cấp điện áp và dòng điện phù hợp đến
các khối.
- Tính toán, thiết kế khối tạo tín hiệu, tín hiệu được tạo ra là dạng xung vuông.
- Tính toán, thiết kế khối khuếch đại công suất, khối có nhiệm vụ cung cấp điện áp cho
đầu phát.

- Thiết kế khối xử lý điều khiển chế độ hoạt động của khối tín hiệu và khối khuếch đại
công suất.
- Thiết kế, trình bày khối hiển thị.
- Mô phỏng khối khuếch đại, khối xử lý, khối khuếch đại công suất.
3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
a. Sơ đồ khối:

Hình 3.1: Sơ đồ khối

b. Giải thích chức năng các khối.
 Khối tín hiệu:

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

15


CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

-

Tạo tín hiệu là dạng xung vuông có tần số 1 MHz.

-

Cung cấp tín hiệu cho khối khuếch đại.

 Khối khuếch đại công suất:
-

Khuếch đại điện áp từ khối tín hiệu thành điện áp cao.

-

Chuyển xung điện áp thành tín hiệu sine và phối hợp trở kháng của đầu phát
siêu âm.

 Khối xử lý:
-

Điều khiển tín hiệu cung cấp cho khối khuếch đại

-

Điều khiển công suất hoạt động của mạch, cung cấp điện áp vào đầu phát.

 Khối hiển thị:
-

Hiển thị trên LCD, led 7 đoạn,

-

Hiện thị giá trị xung cung cấp, điện áp khuếch đại.

 Đầu phát:
-

Nhận tín hiệu và phát sóng siêu âm.

 Khối nguồn:
-

Cung cấp điện áp cho các khối hoạt động.
3.2.2 Tính toán và thiết kế các khối
 Khối nguồn:
- Tạo nguồn điện có các giá trị: 5V, 12V, 1~ 37 V [13].
Linh kiện bao gồm:

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

16


CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

STT
1
2
3
4

Linh kiện
IC
Diode
Tụ điện
Điện trở

Thông số

7805, 7812
1n4007, cầu 24V 5A
1000uf 35V, 104…
330 Ω, 1K…

Bảng 3.1: Bảng giá trị linh kiện khối nguồn

Hình 3.2: Khối nguồn [14]

-

Tạo khối nguồn công suất:
Linh kiện bao gồm:
STT
1
2

Linh kiện
IC
Diode

Thông số
LM317
1n4007

3

Tụ điện, điện trở, biến trở

470uF …., 220Ω …,5k

Bảng 3.2: Bảng giá trị linh kiện khối nguồn công suất

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

17


CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Hình 3.3: Khối nguồn công suất [15]

 Khối tín hiệu:
Linh kiện bao gồm:
STT
1
1

Linh kiện
PIC
AVR(ATmega)

Thông số
16F887
ATmega328

Bảng 3.3: Bảng giá trị linh kiện khối tín hiệu

-

Sử dụng PIC 16f887, AVR cung cấp xung vuông

-

PIC là loại vi điều khiển đã được học trong chương trình, đã thực hiện đồ án
nên có sẵn. Dễ dàng thực hiện thiết kế.

-

Sử dụng Pic khởi tạo xung cấp vào vi điều khiển AVR
+ Cấp xung có tần số 100KHz vào vi điều khiển
+ Cấp xung từ thạch anh và xuất xung 100KHz ra chân CP1.

-

Sử dụng AVR (ATmega8, ATmega16, ATmega328) để phát xung có tần số
1MHz, AVR được sử dụng rộng rãi, có tính ổn định, ngôn ngữ lập trình dễ dàng
sử dụng. Để nạp code sử dụng thông qua một Arduino.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

18


CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

+ Sử dụng xung ngoại cấp vào AVR với từng khoảng độ rộng xung khác nhau :
cấp xung vào chân PWM số 5 và xuất ra tần số 1MHz với các độ rộng xung
khác nhau từ chân A0, A1, A2, A3[16][17].

Hình 3.4: Khối tín hiệu

LCD text 20x4 một sản phẩm quen thuộc với người mới học và muốn thực
hiện các dự án về điện tử, lập trình. Sử dụng điện áp 5VDC, dòng từ 350uA 600uA. Trong đề tài không cần thiết phải kết nối qua module I2C với việc kết
nối chỉ 4 dây mà tốn kém thêm chi phí cho việc sử dụng module I2C thay vào đó
nên thực hiện kết nối đến 8 dây trong bo mạch trong mô hình của đề tài. LCD
20X04 có khả năng hiển thị 4 hàng, mỗi hàng 20 kí tự, tương ứng với 4 hàng 20
cột đủ để hiện thị các thông tin cần thiết của mô hình đề tài. Có độ bền cao đồng
thời có rất nhiều ví dụ mẫu được xây dựng sẵn sẽ giúp tiết kiệm được thời gian
trong việc phát triển ứng dụng.
Do đó sử dụng LCD text 20x4 để đồng bộ điện áp với vi điều khiển, cũng như
tiết kiệm chi phí.
• Sơ đồ nguyên lý:

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

19


CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý LCD 20x4.

 Khối khuếch đại công suất:
Linh kiện bao gồm:

STT
1
2
3

Linh kiện
Mosfet
Diode
Tụ điện, điện trở, cuộn
cảm

Thông số
IRF630
1n4757, Diode - Sc
0.1uF, 1000pF
1kΩ
28uH

Bảng 3.4: Bảng giá trị khối khuếch đại công suất

Ngõ vào của công suất:
-

Điện áp lấy từ khối tín hiệu.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

20


CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

-

Nguồn cung cấp cho khối công suất nằm trong dãi từ 1.25V – 38V.

Ngõ ra của khối khuếch đại công suất:
-

Xung điện áp hình sine, có biên độ điện áp lớn (khoảng 180 Vi) và có trở
kháng ra nhỏ.

Hình 3.6: Khối khuếch đại công suất

Tín hiệu được đưa qua cực của mosfet IR630 Q1, Q2, sau đó điện áp kích 2
mosfet mở hoàn toàn. Khi Q1 mở hoàn toàn dòng điện biến thiên chạy từ nguồn VDD
qua cuộn sơ cấp1 của biến áp, tương tự khi Q2 mở thì sẽ qua cuộn sơ cấp 2 của biến
áp. Các từ trường biến thiên sẽ cảm ứng lên cuộn thứ cấp của biến áp và sinh ra một
điện áp xoay chiều. Điện áp sẽ đi qua bộ lọc, để loại bỏ những thành phần tần số
không phù hợp với tín hiệu đầu phát và loại bỏ nhiễu không mong muốn, sau đó điện
áp sẽ đi qua đầu phát.
Thông qua các giá trị của đầu phát là điện dung C0 và điện trở R0 ta tính toán được:

Trong đó:
▪ f =1Mhz ở mức tần số siêu âm 1Mhz.
▪ C0 điện dung của đầu phát dò nhà sản xuất cung cấp
▪ L2 điện cảm của biến áp
Để mạch có tính ổn định thì giá trị R1s nên bằng giá trị R0 (điện trở đầu phát)
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

21