Thiết kế chế tạo cân điện tử dành cho bệnh nhân người lớn

Với ý tưởng là sẽ thiết kế chế tạo một cân điện tử dành cho bệnh nhân người lớn, có thể di chuyển được mọi nơi trong các khoa phòng trong bệnh viện và cân bệnh nhân ngay tại giường bệnh

MỤC LỤC

Mục lục 1

Lời cảm ơn 4

Lời cam đoan 5

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 6

Danh mục các bảng biểu trong luận văn 7

Danh mục các hình vẽ, đồ thị trong luận văn 8

Lời nói đầu 11

CHƯƠNG 1 : ĐẶT VẤN ĐỀ 13

1.1 Khảo sát tình hình thực tế 13

1.2 Yêu cầu thiết kế 15

CHƯƠNG 2 : PHÂN TÍCH HỆ THỐNG 18

2.1 Sơ đồ các khối chức năng 18

2.2 Khối nguồn 19

2.3 Khối cảm biến 20

2.3.1 Nguyên lý hoạt động của Loadcell 20

2.3.2 Phân loại Loadcell 22

2.4 Khối chuyển đổi tương tự số ( ADC) 26

2.4.1 Sơ đồ khối chung của ADC 27

2.4.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng của ADC 27

2.4.3 Các bước chuyển đổi AD 28

2.4.4 Các dạng mạch ADC 30

2.5 Khối xử lý trung tâm 36

2.5.1 Một số đặc điểm khác nhau giữa vi xử lí và VĐK 37

2.5.2 Phân loại các loại VĐK 37

2.5.3 Cấu trúc tổng quan của VĐK 38

2.6 Khối giao tiếp với người sử dụng 39

2.6.1 Khối nút bấm điều khiển 40

2.6.2 Khối hiển thị 40

2.6.3 Khối báo hiệu 41

2.7 Khối đếm thời gian thực 42

2.7.1 Giới thiệu chung về giao thức I2C 42

2.7.2 Phương thức hoạt động của giao thức I2C 43

2.8 Máy in 50

2.8.1 Baud rate (tốc độ Baud) 51

2.8.2 Frame (khung truyền) 51

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ MẠCH 53

3.1 Khối cảm biến 53

3.1.1 Loadcell MAVIN 200kg 53

3.1.2 Thông số kỹ thuật của Loadcell MAVIN 200kg 53

3.2 Khối chuyển đổi tương tự số 54

3.2.1 Một số tính năng của ADC 24-bit HX711 55

3.2.2 Sơ đồ khối của ADC 24-bit HX711 56

3.2.3 Sơ đồ chân của ADC 24-bit HX711 56

3.2.4 Sơ đồ thiết kế khối chuyển đổi tương tự số sử dụng ADC 24-bit HX711 58

3.3 Khối xử lý trung tâm (Vi điều khiển) ……… 59

3.3.1 Đặc điểm chung của vi điều khiển ATmega32 59

3.3.2 Sơ đồ khối của Atmega32 61

3.3.3 Sơ đồ kiến trúc của Atmega32 63

3.3.4 Bộ nhớ SRAM 65

3.3.5 Bộ nhớ EEFROM 66

3.3.6 Sơ đồ chân của Atmega32 68

3.3.7 Chức năng các chân của Atmega32 69

3.3.8 Mạch thiết kế khối xử lý trung tâm sử dụng ATmega32 72

3.4 Khối giao tiếp với người sử dụng … … ……… 73

3.4.1 Khối nút bấm 73

3.4.2 Khối hiển thị 73

3.4.3 Khối báo hiệu 77

3.5 Khối đếm thời gian thực 78

3.5.1 Sơ đồ khối của IC DS11307 78

3.5.2 Sơ đồ chân của IC DS1307 81

3.5.3 Sơ đồ thiết kế khối điếm thời gian thực sử dụng IC DS1307 82

3.6 Khối máy in 83

3.7 Mạch nguyên lý hoàn chỉnh của thiết kế 84

3.8 Mạch in hoàn thiện của thiết kế 84

3.9 Thiết kế cơ khí của cân điện tử……… ………… 85

3.10 Kết quả đo trọng lượng trên thiết bị cân đã được lắp đặt hoàn chỉnh…….…95

KẾT LUẬN 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành chương trình cao học và làm Luận văn này, tôi xin gửi lời cảm

ơn chân thành tới các thầy, cô giáo, cán bộ, nhân viên trong Ban giám hiệu, Viện Đào tạo sau đại học, Viện Điện tử - Viễn thông, bộ môn công nghệ điện tử & Kỹ thuật điện tử y sinh trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã nhiệt tình truyền đạt những kiến thức quý báu giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập

và hoàn thành Luận văn Thạc sĩ

Qua đây tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới TS Nguyễn Phan Kiên, người trực tiếp chỉ bảo, tận tâm hướng dẫn, định hướng cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận văn Thạc sĩ

Tôi c ng in chân thành cảm ơn c c thầy c trong hội đ ng chấm uận văn, các anh, em bạn bè, đ ng nghiệp trong các bệnh viện đã có những đ ng g p ý kiến

qu b u để tôi có thể hoàn chỉnh uận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 09 năm 2014

Học viên

Ks Lê Xuân Cảnh

LỜI CAM ĐOAN

Ngoài sự giúp đỡ và hướng dẫn của giảng viên TS Nguyễn Phan Kiên, luận văn này là sản phẩm của quá trình tìm tòi, nghiên cứu của tác giả về các vấn đề được đặt ra trong luận văn Mọi số liệu kết cấu cơ khí, thiết kế mạch, phân tích, đánh giá, kết luận của các tài liệu và các nhà nghiên cứu khác được trích dẫn theo đúng quy định Vì vậy, tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu thiết kế chế tạo cân điện tử dành cho bệnh nhân người lớn của riêng tác giả

Hà nội, th ng 09 năm 2014

Tác giả

Ks Lê Xuân Cảnh

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

RS-232 Recommended Standard 232

ADC Analog-to digital Converter

EEPROM Electrically erasable programmable read - only memory A/D Analog to Digital

D/A Digital – Analog

VAX Virtual Access Extension

VA Vertical Amplifier

ECO Electronic-coupled oscillator

LSB Least significant bit

DC Direct Curent

NAND Not and

EOC End Of Conversion

SAC Successive Approximation Conveter

VXL Vi xử lý

VĐK Vi điều khiển

AVR Automatic volume recognition

CPU Central Processing Unit

CISC Complex instruction set computer

ALU Arithmetic and Logic Unit

RTC Real-time Clock

SDA Screen design aid

ACK Acknowledge character

MSB Most significant bit

UART Universal asynchronous receivertransmitter

RTC Road tank car

PWM Pulse width modulation

SP Service point

LPM Load program memory

CH Clock halt

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN

Bảng 1.1: Tính năng của cân đo SCALE-TRONIX 2002 15

Bảng 1.2: Yêu cầu thiết kế của thiết bị 17

Bảng 2.1: Bảng phân loại Loadcell theo cách đặt Strain Gauge 22

Bảng 2.2: Bảng phân loại Loadcell theo chiều tác dụng lực 23

Bảng 2.3: Bảng phân loại Loadcell theo hình dạng 24

Bảng 2.4: So sánh ưu điểm, nhược điểm của Loadcell số và Loadcell tương tự 26

Bảng 2.5: Bảng chuyển đổi tương tự số của ADC nhanh 3bit 36

Bảng 2.6: Bảng chức năng nút bấm 40

Bảng 2.7: Bảng chú thích chế độ của các LED báo hiệu 41

Bảng 3.1: Bảng thông số kỹ thuật của Loadcell MAVIN 200kg 54

Bảng 3.2: Bảng chú thích chi tiết các chân của IC HX711 57

Bảng 3.3: Bảng chức năng chân điều khiển của Port B vi điều khiển ATmega32 70

Bảng 3.4: Bảng chức năng chân điều khiển của Port C vi điều khiển ATmega32 71

Bảng 3.5: Bảng chức năng chân điều khiển của Port D vi điều khiển ATmega32 71

Bảng 3.6: Bảng tính năng của máy in nhiệt CSN 2A 83

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TRONG LUẬN VĂN

Hình 1.1: Thiết bị cân SCALE TRONIX 2002 14

Hình 1.2: Bảng điều khiển của thiết bị cân SCALE-TRONIX 2002 15

Hình 2.1: Sơ đồ các khối chức năng hệ thống 18

Hình 2.2: Sơ đồ khối nguồn sử dụng bộ nạp ác quy 12V – DC 19

Hình 2.3: Sơ đồ khối nguồn sử dụng điện áp dân dụng 20

Hình 2.4: Sơ đồ khối của bộ cảm biến 20

Hình 2.5: Cấu tạo của Strain Gauge 21

Hình 2.6: Mạch cầu điện trở Wheatstone 21

Hình 2.7: Sơ đồ khối của một ADC cơ bản 27

Hình 2.8: Tín hiệu tương tự và tín hiệu số sau khi lấy mẫu 29

Hình 2.9: Mạch lấy mẫu và mạch nhớ mẫu 30

Hình 2.10: Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của ADC sóng bậc thang 31

Hình 2.11: Sơ đồ khối của ADC liên tiếp xấp xỉ 33

Hình 2.12: Lưu đồ hoạt động của ADC liên tiếp xấp xỉ 34

Hình 2.13: Cấu tạo của ADC nhanh độ phân giải 3 bit 35

Hình 2.14: Cấu tạo của LED 7 thanh Cathode Chung và Anode Chung 41

Hình 2.15: Các thiết bị sử dụng giao tiếp I2C 43

Hình 2.16: Giao tiếp I2C đơn giản: 43

Hình 2.17: Truyền nhận dữ liệu giữa thiết bị chủ và thiết bị tớ 44

Hình 2.18: Điều kiện START và STOP của bus I2C 45

Hình 2.19: Quá trình truyền và nhận một bit dữ liệu 46

Hình 2.20: Dữ liệu truyền trên bus I2C 47

Hình 2.21: Bit ACK trên bus I2C 47

Hình 2.22: Lưu đồ thuật toán quá trình truyền nhận dữ liệu 47

Hình 2.23: Cấu trúc byte dữ liệu đầu tiên 48

Hình 2.24: Quá trình truyền dữ liệu 49

Hình 2.25: Ghi dữ liệu từ chủ đến tớ 49

Hình 2.26: Ghi dữ liệu từ tớ đến chủ 50

Hình 2.27: Truyền dữ liệu nối tiếp không đồng bộ UART 52

Hình 3.1: Hình ảnh thực tế của Loadcell MAVIN 200kg 53

Hình 3.2: Cấu tạo cơ khí của Loadcell MAVIN 200kg 53

Hình 3.3: Sơ đồ khối của IC HX711 56

Hình 3.4: Sơ đồ chân của IC HX711 56

Hình 3.5: Sơ đồ thiết kế khối chuyển đổi tương tự số sử dụng ADC 24-bit HX711 58

Hình 3.6: Sơ đồ khối của vi điều khiển ATmega32 61

Hình 3.7: Sơ đồ kiến trúc vi điều khiển ATmega32 63

Hình 3.8: Cấu trúc bộ nhớ SRAM vi điều khiển ATmega32 65

Hình 3.9: : Tổ chức bit trong thanh ghi EEAR 66

Hình 3.10: Tổ chức bit thanh ghi EEDR 66

Hình 3.11: Tổ chức bit thanh ghi EECR 67

Hình 3.12: Sơ đồ chân vi điều khiển ATmega32 68

Hình 3.13: Sơ đồ chân vi điều khiển ATmega32 69

Hình 3.14: Mạch thiết kế vi điều khiển ATmega32 72

Hình 3.15: Mạch thiết kế khối nút bấm 73

Hình 3.16: Cấu tạo chân của LED 7 thanh 4 số 74

Hình 3.17: Cấu tạo chân của LED 7 thanh 2 số 74

Hình 3.18: Sơ đồ khối của IC 74HC595 75

Hình 3.19: Sơ đồ chân của IC 74HC595 76

Hình 3.20: Sơ đô mạch thiết kế của IC 74HC595 76

Hình 3.21: Sơ đồ mạch thiết kế quét LED 77

Hình 3.22: Sơ đồ thiết kế khối báo hiệu 78

Hình 3.23: Sơ đồ khối của IC DS1307 79

Hình 3.24: Tổ chức thanh ghi thời gian trong bộ nhớ của IC DS1307 80

Hình 3.25: Tổ chức bit trong các thanh ghi thời gian 80

Hình 3.26: Sơ đồ chân IC DS1307 81

Hình 3.27: Sơ đồ thiết kế khối thời gian thực 82

Hình 3.28: Mạch nguyên lý hoàn chỉnh 84

Hình 3.29: Mạch in của bảng mạch giao tiếp 84

Hình 3.30: Mạch in của bảng mạch xử lý 85

Hình 3.31: Mô phỏng thiết kế cơ khí của loadcell……… 85

Hình 3.32: Thiết kế giá treo của thiết bị cân………86

Hình 3.33: Hệ thống giá treo kết hợp với LoadCell……….86

Hình 3.34: Phần thân trên hoàn chỉnh của cân……….87

Hình 3.35: Phần đế chân hoàn chỉnh của cân……… …….87

Hình 3.36: Hệ thống củ bơm thủy lực……… 88

Hình 3.37: Hệ thống tay bơm và trục nâng của pittong thủy lực……… … 89

Hình 3.38: Hệ thống bơm thủy lực được mô phỏng trên hình 3D……… 89

Hình 3.39: Hệ thống phía trong trục bơm trên thực tế……….90

Hình 3.40: Hệ thống pittong thủy lực được lắp ráp hoàn chỉnh……… ….91

Hình 3.41: Hệ thống hoàn chỉnh của phần cơ khí và điện tử……… ….92

Hình 3.42: Hệ thống hoàn chỉnh của cân nhìn từ trái sang phải……… …93

Hình 3.43: Hình ảnh thực tế của hệ thống hoàn chỉnh cân bệnh nhân nhìn từ phía trước và nhìn từ phía sau……… 93

Hình 3.44: Hệ thống hoàn chỉnh của cân nhìn từ trước lại và từ đường sau nhìn lại 94

Hình 3.45: Kết quả đo 1……… ……….95

Hình 3.46: Kết quả đo 2 ………95

LỜI NÓI ĐẦU

Với sự phát triển vượt bậc của ngành y tế như hiện nay, chúng ta không thể không nhắc tới sự phát triển của công nghệ sản xuất ra máy móc thiết bị y tế, vì máy móc thiết bị y tế hiện nay nó là một công cụ hỗ trợ đắc lực cho các y bác sỹ thăm khám, chẩn đoán, điều trị cho bệnh nhân Do đó, với việc hiện đại hóa hệ thống thiết bị y tế trong các bệnh viện hiện nay là rất cần thiết và đang được sự quan tâm của nhiều ban ngành, các cơ quan chức năng trong cả nước Hiện nay việc khám chữa bệnh truyền thống với các trang thiết bị đơn giản dần không thể đáp ứng được nhu cầu khám chữa bệnh trong nước cũng như không thể theo kịp được sự phát triển của y học trên thế giới Bệnh viện Bạch Mai là một trong những bệnh viện đa khoa hạng đặc biệt đầu ngành của Trung ương, là nơi tiếp nhận hàng trăm, hàng nghìn bệnh nhân mỗi ngày Số lượng bệnh nhân điều trị tại bệnh viện luôn nằm trong tình trạng quá tải Vì vậy, việc hiện đại hóa hệ thống thiết bị y tế trong bệnh viện luôn luôn được ưu tiên hàng đầu

Tôi là một kỹ sư phụ trách bảo dưỡng và sửa chữa các máy móc thiết bị y tế của toàn bệnh viện, nên hơn ai hết tôi rất hiểu cần phải làm gì khi gặp những khó khăn trong việc bảo dưỡng, sửa chữa các thiết bị cho các viện khoa phòng trong bệnh viện Với sự phát triển của ngành y ngày một vượt bậc thì song hành với nó để đạt được hiệu quả cao trong quá trình điều trị, các y bác sỹ cần phải tuân thủ rất nghiêm ngặt các bước kiểm tra bệnh nhân trước khi đưa ra phác đồ điều trị như tiểu sử bệnh

lý của bệnh nhân, các bệnh lý lâm sàng và trong đó cân nặng của bệnh nhân cũng đặc biệt được quan tâm Trong ngành y, kiểm soát cân nặng trong quá trình điều trị cho bệnh nhân là hết sức cần thiết, ví dụ như một bệnh nhân có bệnh lý về phổi, tim mạch, suy nội tạng dẫn đến hôn mê không tự thở được cần phải thở máy thở Điều đầu tiên bác sỹ cần làm đó là cân bệnh nhân để lấy giữ liệu sau đó mới có thể đặt thông số phù hợp cho bệnh nhân thở, ví dụ như đặt tần số thở, chi kỳ thở vào và thở

ra cho bệnh nhân thì bắt buộc phải cân bệnh nhân sau đó dựa vào cân nặng, bệnh lý của bệnh nhân để đặt các thông số thở, mà hầu như những bệnh nhân như thế là những bệnh nhân nặng, gặp nhiều khó khăn trong việc di chuyển Hiện nay cân điện

tử dành cho bệnh nhân người lớn hoàn toàn phải nhập khẩu của nước ngoài với giá thành rất cao Tuy nhiên sau một thời gian sử dụng cân bắt đầu hỏng, lúc này việc sửa chữa gặp rất nhiều khó khăn Do không có linh kiện ở trong nước để thay thế

mà bắt buộc phải nhập ngoại với giá linh kiện rất cao và thời gian nhập khẩu linh kiện về có thể mất vài ba tháng, dẫn tới bác sỹ không có cân để sử dụng cho bệnh nhân, lúc này đành phải dựa vào kinh nghiệm để làm nên quá trình điều trị cho bệnh nhân đạt hiệu quả không cao Chính vì những lý do bất cập như vậy, tôi đã quyết

định làm luận văn thạc sĩ của mình với đề tài nghiên cứu : “ Thiết kế chế tạo cân điện tử dành cho bệnh nhân người lớn ” Với ý tưởng là sẽ thiết kế chế tạo một

cân điện tử dành cho bệnh nhân người lớn, có thể di chuyển được mọi nơi trong các khoa phòng trong bệnh viện và cân bệnh nhân ngay tại giường bệnh với độ chính xác cao, có chức năng in thông tin trọng lượng của bệnh nhân khi có yêu cầu và đặc biệt hơn là giá thành chỉ bằng một phần ba nhập ngoại, linh kiện dễ dàng thay thế Với ý tưởng này tôi hy vọng bằng sự nỗ lực nghiên cứu của bản thân, cùng với

sự hướng dẫn nhiệt tình của TS Nguyễn Phan Kiên và các thầy, cô của bộ môn

công nghệ điện tử & Kỹ thuật điện tử y sinh trường Đại học Bách Khoa Hà Nội cũng như anh em, bạn bè trong lĩnh vực y tế, tôi có thể hoàn thành sản phẩm của mình để đưa vào sử dụng trong bệnh viện Bạch Mai cũng như các bệnh viện khác trong cả nước nhằm nâng cao chất lượng điều trị cho bệnh nhân ngày một tốt hơn

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

Phần này tôi trình bày các khảo sát tình hình thực tế của thiết bị thiết cân điện tử dành cho bệnh nhân người lớn đang sử dụng tại bệnh viện Bạch Mai, từ đó đưa ra các yêu cầu thiết kế đối với sản phẩm Sản phẩm trước hết phải cung cấp chức năng chính là cân trọng lượng một cách chính xác, sau đó có thể tùy chỉnh một

số tính năng, hiển thị để phù hợp hơn với môi trường bệnh viện ở Việt Nam

1.1 Khảo sát tình hình thực tế

Như đã được nói ở phần mở đầu, cân nặng là một thông số rất quan trọng trong việc điều trị cho các bệnh nhân Trong những trường hợp cụ thể như trước khi bác sỹ cho chỉ định truyền dịch bằng máy truyền dịch, máy bơm tiêm điện, máy thở, máy gây mê kèm thở, trong quá trình điều trị bỏng… thì cân nặng là một thông số không thể thiếu để bác sỹ đưa ra một phác đồ thực hiện cho bệnh nhân Điều này đã được chỉ dẫn cụ thể trong công thức tính lượng dịch truyền cho bệnh nhân cũng như đưa ra thể tích, tần số thở trong máy thở và máy gây mê kèm thở

 Công thức Evans:

Dịch keo = 1ml x kg (cân nặng) x diện tích bỏng

Điện giải = 1ml x kg (cân nặng) x diện tích bỏng

Huyết thanh ngọt 5% = 2000ml (người lớn)

 Công thức BAXTER ( còn được gọi là công thức Parklano):

24 giờ đầu chỉ truyền Ringer lactat

Tổng lượng = 4ml x kg (cân nặng) x diện tích bỏng

 Bảng quan hệ trọng lượng – thể tích – tần số áp dụng cho bệnh nhân phải

thở bằng máy thở hoặc máy gây mê kèm thở

mà không bị khó chịu Bảng điều khiển cho phép cân đưa giá trị về mức 0 mỗi khi người sử dụng có nhu cầu thay cáng nằm cho bệnh nhân Cân cũng cho phép gọi lại

dữ liệu đã đo và in ra bằng máy in nhiệt để bác sỹ tiện theo dõi Mạch được cấp điện bằng nguồn điện dân dụng và bộ pin dự trữ phòng những lúc mất điện xảy ra

Hình 1.1: Thiết bị cân SCALE TRONIX 2002

Hình 1.2: Bảng điều khiển của thiết bị cân SCALE-TRONIX 2002

Một số tính năng của cân được trình bày trong bảng sau:

Bảng 1.1: Tính năng của cân đo SCALE-TRONIX 2002

Dải khối lượng đo được 550 lb - 250 kilogram

Hiển thị khối lượng Hiển thị LED khối lượng theo đơn vị

pound hoặc đơn vị kilogram Nguồn cấp điện – Không dây 6 pin cỡ D có thể tháo rời được

Chức năng gọi lại giá trị khối lượng Gọi lại giá trị khối lượng đo lần cuối

cùng

Báo hiệu pin yếu Đèn LED báo hiệu trạng thái pin yếu

Cơ chế nâng bệnh nhân Sử dụng pittong thủy lực

1.2 Yêu cầu thiết kế

Sau khi tìm hiểu về thiết bị đang sử dụng trong bệnh viện Bạch Mai cũng như khảo sát yêu cầu thực tế của các Viện Trung Tâm khoa phòng trong bệnh viện Bạch Mai, tham khảo ý kiến chỉnh sửa, thay đổi về chức năng, cách sử dụng, tôi đưa ra các yêu cầu về thiết kế sản phẩm như sau:

 Đo chính xác cân nặng của bệnh nhân

Thiết bị có chức năng chính là đo cân nặng bệnh nhân thông qua 2 giá treo

Hệ thống sử dụng 2 cảm biến đặt ngược chiều nhau, cân nặng đo được là tổng của 2 cảm biến, cụ thể là của 2 loadcell, theo nguyên tắc tổng hợp lực Cân nặng đo được

từ 0 đến 200 Kilogram, độ phân giải 100 Gram, sai số không quá 1%

 Cung cấp thông tin thời gian

Thiết bị cung cấp các chức năng như dữ liệu bệnh nhân, thông tin thời gian cân, trọng lượng bệnh nhân Bao gồm các thông tin: ngày, tháng, năm, giờ, phút Để đảm bảo chính xác về thời gian, đồng hồ đếm thời gian trong thiết bị phải tương ứng với đồng hồ thực tế, hoạt động độc lập, đếm thời gian liên tục kể cả khi thiết bị không được cấp điện Ngoài ra, thiết bị phải cung cấp chức năng tùy chỉnh giá trị thời gian để thuận tiện khi sử dụng

 Hiển thị và giao tiếp người dùng

Hiển thị thông tin trọng lượng một cách trực quan Ngoài ra, cũng cần hiển thị thông tin thời gian để người dùng có thể cài đặt thông tin thời gian, ngày tháng

 Lưu dữ liệu thông tin 5 bệnh nhân đo gần nhất

Thiết bị tự động lưu thông tin 5 bệnh nhân sử dụng máy gần nhất Thông tin lưu trữ gồm có: Trọng lượng đo được và thời gian cân, dữ liệu được lưu trữ ngay cả khi không có điện cung cấp cho thiết bị Đây là chức năng mới so với các thiết bị hiện tại được thêm vào theo yêu cầu của các Viện Trung Tâm khoa phòng trong bệnh viện Bach Mai

 In dữ liệu thông tin bệnh nhân khi có yêu cầu

Thiết bị cung cấp chức năng in tại chỗ dữ liệu của bệnh nhân đang đo hiện tại hoặc thông tin bệnh nhân được lưu trong thiết bị Thông tin được in ra bao gồm: Trọng lượng đo được của bệnh nhân và thời gian cân

 Yêu cầu khác

Cấu tạo cơ khí của giá cân chắc chắn, không có hiện tượng rơi, lật bệnh nhân trong quá trình cân

Hệ thống hoạt động ổn định trong môi trường bệnh viện, linh kiện dễ dàng thay thế khi gặp sự cố

Giao diện bằng tiếng việt, thân thiện, dễ dàng sử dụng

Thông tin trọng lượng, thời gian được hiển thị to, rõ ràng, dễ nhìn

Sử dụng 2 nguồn cấp điện – Ác quy 12VDC một chiều hoặc từ nguồn điện dân dụng để đảm bảo tính di động của thiết bị

Bảng 1.2: Yêu cầu thiết kế của thiết bị

Yêu cầu chức năng

1 Cân trọng lượng của bệnh nhân Tải trọng của thiết bị: 200 Kg, độ

phân giải: 0.1 Kg, sai số: không quá 1%

2 Cung cấp thông tin thời gian gồm có: phút, giờ, ngày, tháng, năm

Ngoài ra, thiết bị phải có chức năng chỉnh sửa thời gian

3 Hiển thị thông tin trọng lượng cũng như thông tin thời gian

4 Lưu trữ dữ liệu thông tin trọng lượng và thời gian đo của 5 bệnh nhân

gần nhất

5 In dữ liệu thông tin trọng lượng và thời gian đo khi có yêu cầu từ

người sử dụng

Yêu cầu phi chức năng ph i chức năng

1 Cấu tạo cơ khí chắc chắn

2 Hệ thống hoạt động ổn định trong môi trường bệnh viện, linh kiện dễ

dàng thay thế khi gặp sự cố

3 Giao diện thân thiện, dễ dàng sử dụng

4 Thông tin trọng lượng, thời gian hiển thị trực quan, dễ nhìn

5 Sử dụng nguồn xạc ác quy 12VDC 1 chiều hoặc từ nguồn điện dân

dụng phù hợp với tính chất di động

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH HỆ THỐNG

Phần này sẽ phân tích đối tượng thiết kế, cùng với các yêu cầu thiết kế được đưa ra từ chương 1 Từ đó đưa ra sơ đồ các khối chức năng của mạch, cơ sở lý thuyết của từng khối

2.1 Sơ đồ các khối chức năng

Tôi có thể tóm tắt các chức năng của mạch như sau: Mạch có chức năng nhận biết, xử lý các thông tin về trọng lượng thu được từ bên ngoài thông qua cảm biến sau đó đưa ra thông tin trọng lượng bệnh nhân, thời gian cân bệnh nhân và giao tiếp với người sử dụng, ngoài ra còn in thông tin trọng lượng, thời gian cân thông qua máy in nhiệt Yêu cầu thiết kế có thể giải quyết dựa trên sơ đồ các khối chức năng sau:

Hình 2.1: Sơ đồ các khối chức năng hệ thống

 Khối nguồn: Cung cấp điện cho mạch hoạt động ổn định

 Khối cảm biến: Có nhiệm vụ chuyển đổi giá trị trọng lượng thành giá trị điện,

cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích, ở đây là trọng lượng

 Khối chuyển đổi tương tự số: Biến đổi tín hiệu tương tự từ cảm biến sang tín

hiệu số truyền vào khối xử lý trung tâm

 Khối xử lý trung tâm: Khối xử lý nhận thông tin từ các khối chuyển đổi tương

tự số, khối giao tiếp với người sử dụng, khối đếm thời gian thực sau đó xử lý

thông tin nhận được, đưa ra các quyết định điều khiển hoặc giao tiếp tương tác

với người sử dụng

 Khối giao tiếp với người sử dụng: Thực hiện chức năng giao tiếp giữa người

sử dụng và thiết bị, nhận các thông tin từ người sử dụng và đưa ra các thông tin,

báo hiệu cho người sử dụng

 Khối máy in: Thực hiện chức năng in thông tin trọng lượng, thời gian cân trực

tiếp khi có yêu cầu của người sử dụng

 Khối đếm thời gian thực: Khối này có nhiệm vụ cung cấp thông tin về thời

gian, ngày tháng tiến hành cân cho người sử dụng khi cần Qua toàn bộ nội dung

phần 2.1 có thể hình dung cơ bản về chức năng của thiết bị, thông qua việc đo

thu nhận các thông tin về trọng lượng, cài đặt thời gian, hiển thị giá trị trọng

lượng, giao tiếp với người sử dụng Các phần tiếp theo sẽ đi vào phân tích chi

tiết từng yêu cầu của mỗi khối chức năng và cơ sở lý thuyết phục vụ cho mạch

thiết kế

2.2 Khối nguồn

Khối nguồn cung cấp điện năng cho toàn mạch, khối nguồn là khối quan

trọng nhất trong mạch điều khiển, khối nguồn cần phải đáp ứng hai yêu cầu sau:

- Cung cấp điện áp ổn định, cung cấp đủ công suất, có chế độ bảo vệ khi quá

tải, chập mạch, không làm ảnh hưởng tới các khối khác trong mạch

- Có thể cung cấp điện khi di chuyển hoặc mất điện

Từ đó tôi quyết định chọn phương án thiết kế mạch có thể dùng nguồn pin

hoặc lấy điện trực tiếp từ nguồn điện áp dân dụng

Hình 2.3: Sơ đồ khối nguồn sử dụng điện áp dân dụng

Hình 2.4: Sơ đồ khối của bộ cảm biến

Quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến có thể cho dưới dạng bảng giá trị, đồ thị hoặc biểu thức toán học (hàm truyền) Hàm truyền có thể được biểu diễn dưới dạng tuyến tính hoặc phi tuyến (hàm logarit, hàm lũy thừa hoặc hàm mũ)

Cảm biến trong mạch thiết kế có nhiệm vụ chuyển giá trị trọng lượng sang tín hiệu điện, đáp ứng lại khi có kích thích là giá trị trọng lượng Cảm biến phục vụ cho yêu cầu này là dạng Loadcell

2.3.1 Nguyên lý hoạt động của Loadcell

 Strain Gauge ( cảm biến điện trở)

Strain Gauge là thành phần cấu tạo chính của Loadcell Mọi dây dẫn điện bình thường đều thay đổi điện trở một chút khi có một áp lực tác dụng vào dây dẫn

đó Dây dẫn điện được sắp xếp sao cho sự thay đổi điện trở là lớn nhất khi có áp lực tạo thành Strain Gauge, thường thường được sắp xếp theo hình ziczac Strain Gauge

thường được khắc dạng lá kim loại và gắn bằng keo lên thanh kim loại hoặc vật liệu chịu lực khác

Hình 2.5: Cấu tạo của Strain Gauge

Trong Loadcell, Strain Gauge được đặt sao cho khi có vật nặng được đặt lên, Gauge bị căng, điện trở của Strain Gauge thay đổi Giá trị điện trở thay đổi của Strain Gauge là rất nhỏ, cần có mạch thiết kế nhạy mới có thể đo đạc chính xác

 Mạch cầu Wheatstone

Loadcell gồm các Strain Gauge R1, R2, R3, R4 được kết nối thành một cầu điện trở Wheatstone được dán vào bề mặt của thân Loadcell

Hình 2.6: Mạch cầu điện trở Wheatstone

Một điện áp kích thích được cung cấp cho ngõ vào Loadcell (2 góc (1) và (3) của cầu điện trở Wheatstone) và điện áp tín hiệu ra được đo giữa hai góc khác

Khi có tải trọng hoặc lực tác động lên thân Loadcell làm cho thân Loadcell bị biến dạng (giãn hoặc nén), điều đó dẫn tới sự thay đổi chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại của điện trở Strain Gauge dán trên thân loadcell dẫn đến một sự thay đổi giá trị của các điện trở Strain Gauge Sự thay đổi này dẫn tới sự thay đổi trong điện áp đầu ra

2.3.2 Phân loại Loadcell

 Phân loại theo cách đặt Strain Gauge

Bảng 2.1: Bảng phân loại Loadcell theo cách đặt Strain Gauge

3 Shear Type

Strain Gauge được đặt hợp với nhau một góc 450 ở trục chính giữa của Loadcell Loadcell dạng Shear có kích thước nhỏ hơn nhiều so với Loadcell Double-beam có cùng tải trọng Loadcell dạng này cản trở được lực ngang nên có độ chính xác

cao

4 Ring Type

Độ chính xác cao, tải trọng trung bình từ 500kg đến 20 tấn

5

Diaphragm

Type

Loadcell dạng mỏng có hình tròn Ưu điểm lớn nhât của Loadcell dạng này là có chiều cao thâp và cản trở được có phương ngang nên

độ chính xác cao

 Phân loại theo lực tác dụng

Bảng 2.2: Bảng phân loại Loadcell theo chiều tác dụng lực

1 Tension

Type

Loadcell chỉ đáp ứng đối với lực kéo

2 Compressive

Type

Loadcell chỉ đáp ứng đối với lực nén

3 Universal

Type

Loadcell chỉ đáp ứng đối với lực nén

và lực kéo

4 Bending

Type

Loadcell chỉ đáp ứng đối với lực uốn

 Phân loại theo hình dạng

Bảng 2.3: Bảng phân loại Loadcell theo hình dạng

 Phân loại theo tín hiệu đầu ra

 Tương tự (Analog)

Loadcell tương tự chính là một mạch cầu cân bằng WheatStone Khi có lực tác dụng, các Strain Gauge ở đây chính là các điện trở trong mạch cầu thay đổi giá trị điện trở khi đó điện áp ra của Loadcell bị thay đổi Để xử lý tín hiệu này, chúng ta cần nối Loadcell với bộ ADC (bộ chuyển đổi tương tự số) và đưa vào vi xử lý để xử

lý và hiển thị

Tín hiệu điện thay đổi ở loadcell là rất nhỏ, vì vật tín hiệu rất dễ bị ảnh

hưởng bởi nhiễu, chẳng hạn như:

 Nhiễu điện từ: Sinh ra bởi quá trình truyền phát các tín hiệu điện trong môi

trường xung quanh, truyền phát tín hiệu vô tuyến điện trong không gian hoặc do quá trình đóng cắt của các thiết bị chuyển mạch công suất lớn…

 Sự thay đổi điện trở dây cáp dẫn tín hiệu: Do thay đổi thất thường của nhiệt

độ môi trường tác động lên dây cáp truyền dẫn

- Số (Digital): Một Loadcell số đơn giản mang trong nó một cấu trúc khá phức tạp, gồm có:

 Một loadcell cơ bản với độ chính xác, độ ổn định và khả năng lặp lại rất cao trong mọi điều kiện làm việc

 Một bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) 16 đến 20 bit tốc độ cao để chuyển đổi tín hiệu điện tương tự sang dạng số

 Hệ vi mạch xử lý để thực hiện điều khiển toàn bộ quá trình chuyển đổi từ tín hiệu lực đo được thành dữ liệu số thể hiện trung thực nhất và giao tiếp với các thiết

bị khác để trao đổi thông tin

Tín hiệu điện áp từ cầu điện trở của loadcell chính xác cao được đưa đến đầu vào của mạch tích hợp sẵn, bao gồm cả phần khuyếch đại, bộ giải điều chế, một ADC tốc độ cao 20 bit và bộ lọc số Một cảm biến nhiệt độ tích hợp sẵn được sử dụng để đo nhiệt độ thực của loadcell phục vụ cho việc bù sai số do nhiệt độ Dữ liệu từ ADC, cảm biến nhiệt độ cùng với các thuật toán trong phần mềm và một số

phần cứng bổ sung tích hợp sẵn có chức năng tối ưu hóa xử lý các sai số do không tuyến tính, bù sai đường đặc tính, khả năng phục hồi trạng thái và ảnh hưởng của nhiệt độ… được vi xử lý tốc độ cao xử lý Dữ liệu kết quả đầu ra được truyền đi xa qua cổng giao tiếp theo một giao thức nhất định, các module điện tử này có thể được đặt ngay trong loadcell Các đặc tính giới hạn của từng loadcell được đặt trong EEPROM nằm trong module của loadcell đó, điều đó cũng có nghĩa là mọi vấn đề

xử lý sai số được thực hiện ngay tại loadcell, với chính loadcell đó, cũng có nghĩa là phép bù các sai số được thực hiện khá triệt để

Bảng 2.4: So sánh ưu điểm, nhược điểm của Loadcell số và Loadcell tương tự

Công nghệ Loadcell Loadcell Analog Loadcell Digital

Tự động điều chỉnh

Hoạt động tốt khi Phải có đủ các loadcell Thiếu 1 vẫn hoạt động tốt

2.4 Khối chuyển đổi tương tự số ( ADC)

Bộ chuyển đổi tương tự sang số – ADC (Analog to Digital Converter) lấy mức điện thế vào tương tự sau đó một thời gian sẽ sinh ra mã đầu ra dạng số biểu diễn đầu vào tương tự Tiến trình biến đổi A/D thường phức tạp và mất nhiều thời gian hơn tiến trình chuyển đổi D/A Do đó có nhiều phương pháp khác nhau để chuyển đổi từ tương tự sang số

2.4.1 Sơ đồ khối chung của ADC

Hình 2.7: Sơ đồ khối của một ADC cơ bản

Hoạt động cơ bản của lớp ADC được mô tả như sau

Xung lệnh START khởi động hoạt động của hệ thống

Xung Clock quyết định bộ điều khiển liên tục chỉnh sửa số nhị phân lưu trong thanh ghi

Số nhị phân trong thanh ghi được DAC chuyển đổi thành mức điện thế tương

tự V AX

Bộ so sánh so sánh V AX với đầu vào trương tự V A Nếu V AX < V A đầu ra

của bộ so sánh lên mức cao Nếu V AX > V A ít nhất bằng một khoảng V T (điện thế

ngưỡng), đầu ra của bộ so sánh sẽ xuống mức thấp và ngừng tiến trình biến đổi số

nhị phân ở thanh ghi Tại thời điểm này V AX xấp xỉ V A, giá trị nhị phân ở thanh ghi

là đại lượng số tương đương V AX trong giới hạn độ phân giải và độ chính xác của hệ thống

Logic điều khiển kích hoạt tín hiệu ECO khi chu kỳ chuyển đổi kết thúc Tiến trình này có thể có nhiều thay đổi đối với một số loại ADC khác, chủ yếu là sự khác nhau ở cách thức bộ điều khiển sửa đổi số nhị phân trong thanh ghi

2.4.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng của ADC

 Độ phân giải

Độ phân gải của một ADC biểu thị bằng số bit của tín hiệu số đầu ra Số lượng bit nhiều sai số lượng tử càng nhỏ, độ chính xác càng cao

 Dải động, điện trở đầu vào

Mức logic của tín hiệu số đầu ra và khả năng chịu tải (nối vào đầu vào)

 Độ chính xác tương đối

Nếu lý tưởng hóa thì tất cả các điểm chuyển đổi phải nằm trên một đường thẳng Độ chính xác tương đối là sai số của các điểm chuyển đổi thực tế so với đặc tuyến chuyển đổi lý tưởng Ngoài ra còn yêu cầu ADC không bị mất bit trong toàn

bộ phạm vi làm việc

 Tốc độ chuyển đổi

Tốc độ chuyển đổi được xác định thời gian bởi thời gian cần thiết hoàn thành một lần chuyển đổi A/D Thời gian này tính từ khi xuất hiện tín hiệu điều khiển chuyển đổi đến khi tín hiệu số đầu ra đã ổn định

 Hệ số nhiệt độ

Hệ số nhiệt độ là biến thiên tương đối tín hiệu số đầu ra khi nhiệt độ biến đổi

10oC trong phạm vi nhiệt độ công tác cho phép với điều kiện mức tương tự đầu vào không đổi

 Tỉ số phụ thuộc công suất

Giả sử điện áp tương tự đầu vào không đổi, nếu nguồn cung cấp cho ADC biến thiên mà ảnh hưởng đến tín hiệu số đầu ra càng lớn thì tỉ số phụ thuộc nguồn càng lớn

 Công suất tiêu hao

Công suất tiêu thụ của ADC khi hoạt động bình thường và khi ở chế độ nghỉ

2.4.3 Các bước chuyển đổi A/D

Quá trình chuyển đổi A/D nhìn chung được thực hiện qua 4 bước cơ bản, đó là: Lấy mẫu, nhớ mẫu, lượng tử hóa và mã hóa Các bước đó luôn luôn kết hợp với nhau trong một quá trình thống nhất

 Định lý lấy mẫu

Đối với tín hiệu tương tự Vi thì tín hiệu lấy mẫu Vs sau quá trình lấy mẫu có thể khôi phục trở lại Vi một cách trung thực nếu điều kiện sau đây thỏa mãn:

f S =2f Imax

Trong đó f S: Tần số lấy mẫu

f Imax: Là giới hạn trên của giải tần số tương tự

Hình 2.8: Tín hiệu tương tự và tín hiệu số sau khi lấy mẫu

Vì mỗi lần chuyển đổi điện áp lấy mẫu thành tín hiệu số tương ứng đều cần

có một thời gian nhất định nên phải nhớ mẫu trong một khoảng thời gian cần thiết sau mỗi lần lấy mẫu Điện áp tương tự đầu vào được thực hiện chuyển đổi ADC trên thực tế là giá trị Vi đại diện, giá trị này là kết quả của mỗi lần lấy mẫu

 Lƣợng tử hóa và mã hóa

Tín hiệu số không những rời rạc trong thời gian mà còn không liên tục trong biến đổi giá trị Một giá trị bất kỳ của tín hiệu số đều phải biểu thị bằng bội số nguyên lần giá trị đơn vị nào đó, giá trị này là nhỏ nhất được chọn Nghĩa là nếu dùng tín hiệu số biểu thị điện áp lấy mẫu thì phải bắt điện áp lấy mẫu hóa thành bội

số nguyên lần giá trị đơn vị, quá trình này gọi là lượng tử hóa Đơn vị được chọn theo quy định này gọi là đơn vị lượng tử, kí hiệu D Như vậy giá trị bit 1 của LSB tín hiệu số bằng D, việc dùng mã nhị phân biểu thị giá trị tín hiệu số là mã hóa Mã nhị phân có được sau quá trình trên chính là tín hiệu đầu ra của chuyên đổi A/D

 Mạch lấy mẫu và nhớ mẫu

Khi nối trực tiếp điện thế tương tự với đầu vào của ADC, tiến trình biến đổi

có thể bị tác động ngược nếu điện thế tương tự thay đổi trong tiến trình biến đổi Ta

có thể cải thiện tính ổn định của tiến trình chuyển đổi bằng cách sử dụng mạch lấy mẫu và nhớ mẫu để ghi nhớ điện thế tương tự không đổi trong khi chu kỳ chuyển

đổi diễn ra

Khi đầu vào điều khiển = 1 lúc này chuyển mạch đóng mạch ở chế độ lấy mẫu

Khi đầu vào điều khiển = 0 lúc này chuyển mạch hở mạch chế độ giữ mẫu

Hình 2.9: Mạch lấy mẫu và mạch nhớ mẫu

Chuyển mạch được đóng một thời gian đủ dài để tụ Ch nạp đến giá trị dòng điện của tín hiệu tương tự Ví dụ, nếu chuyển mạch được đóng tại thời điểm t0 thì đầu ra A1 sẽ nạp nhanh tụ Ch lên đến điện thế tương tự V0, khi chuyển mạch mở thì

tụ Ch sẽ duy trì điện thế này để đầu ra của A2 cung cấp mức điện thế này cho ADC

Bộ khuếch đại đệm A2 đặt trở kháng cao tại đầu vào nhằm không xả điện thế tụ một cách đáng kể trong thời gian chuyển đổi của ADC do đó ADC chủ yếu sẽ nhận đựơc điện thế DC vào, tức là V0

2.4.4 Các dạng mạch ADC

 ADC dạng sóng bậc thang

 Sơ đồ khối của ADC dạng sóng bậc thang

Phiên bản đơn giản nhất của lớp ADC ở Hình 2.10 sử dụng bộ đếm nhị phân

V AX >V A Đây gọi là ADC sóng dạng bậc thang, vì dạng sóng tại V AX có từng bậc đi lên Người ta còn gọi là ADC loại bộ đếm

Hình 2.10: Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của ADC sóng bậc thang

Các thành phần của DAC dạng sóng bậc thang Hình 2.10 gồm: Một bộ đếm, một DAC, một bộ so sánh tương tự, một cổng NAND 3 ngõ vào điều khiển Đầu ra của bộ so sánh dùng làm tín hiệu (End Of Conversion – kết thúc chuyển đổi)

 Hoạt động của bộ ADC dạng sóng bậc thang

Giả sử V A, tức mức điện thế cần chuyển đổi là dương thì tiến trình hoạt động diễn ra như sau:

Xung khởi động được đưa vào để Reset bộ đếm về 0, mức cao của xung khởi động cấm không cho xung nhịp đi qua cổng AND vào bộ đếm

Nếu đầu của DAC toàn bit 0 thì đầu ra của DAC sẽ là V AX = 0V Vì V A >V AX nên đầu ra bộ so sánh sẽ lên mức cao

Khi xung khởi động về thấp thì cổng AND cho phép xung nhịp đi qua cổng này và vào bộ đếm

Khi giá trị bộ đếm tăng lên thì đầu ra DAC là V AX sẽ tăng mỗi lần mỗi bậc, như minh họa hình 5.20

Tiến trình cứ tiếp tục cho đến khi V AX lên đến bậc vượt quá V A một

khoảng V T Tại thời điểm này ngõ ra của bộ so sánh về thấp và cấm không cho xung nhịp đi vào bộ đếm nên bộ đếm sẽ ngừng đếm

Tiến trình chuyển đổi hoàn tất khi tín hiệu chuyển từ trạng thái cao xuống

thấp và nội dung của bộ đếm là biểu thị dạng số của điện áp tương tự vào V A

Bộ đếm sẽ duy trì giá trị số cho đến khi nào xung khởi động kế tiếp vào bắt đầu tiến trình chuyển đổi mới

- Độ phân giải và độ chính xác của ADC dạng sóng bậc thang

Trong ADC dạng sóng bậc thang có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sai số của quá trình chuyển đổi như: Kích cỡ bậc thang, tức độ phân giải của DAC cài trong đơn vị nhỏ nhất Nếu giảm kích cỡ bậc thang ta có thể hạn chế bớt sai số nhưng luôn có khoảng cách chênh lệch giữa đại lượng thực tế và giá trị gán cho nó Đây gọi là sai số lượng tử

Cũng như trong DAC, độ chính xác không ảnh hưởng đến độ phân giải nhưng lại tùy thuộc vào độ chính xác của linh kiện trong mạch như: Bộ so sánh, điện trở chính xác và chuyển mạch dòng của DAC, nguồn điện quy chiếu,…Mức sai số = 0.01% giá trị cực đại (đầy thang) cho biết kết quả ra từ ADC có thể sai biệt một khoảng như thế, do các linh kiện không lý tưởng

- Thời gian chuyển đổi của ADC sóng bậc thang

Thời gian chuyển đổi là khoảng thời gian giữa điểm cuối của xung khởi động

đến thời điểm kích hoạt đầu ra của bộ đếm bắt đầu đếm từ 0 cho đến khi V AX vượt

quá V A, tại thời điểm đó xuống mức thấp để kết thúc tiến trình chuyển đổi

Như vậy giá trị của thời gian chuyển đổi t C phụ thuộc vào V A Thời gian chuyển đổi

cực đại xảy ra khi V A nằm ngay dưới bậc thang cao nhất Sao cho V AX phải tiến lên bậc cuối cùng để kích hoạt

Với bộ chuyển đổi N bit, ta có:

t C (max) = (2 N – 1) x (chu kỳ xung nhịp)

ADC ở Hình 2.10 sẽ có thời gian chuyển đổi cực đại:

t C (max) = (2 10 – 1)x1ms = 1023ms

Đôi khi thời gian chuyển đổi trung bình được quy định bằng ½ thời gian

chuyển đổi cực đại:

Nhược điểm của ADC dạng sóng bậc thang là thời gian chuyển đổi tăng gấp đôi với từng bit thêm vào bộ đếm Do vậy ADC loại này không thích hợp với những ứng dụng đòi hỏi phải liên tục chuyển đổi một tín hiệu tương tự thay đổi nhanh thành tín hiệu số Tuy nhiên với các ứng dụng tốc độ chậm thì bản chất tương đối đơn giản của ADC dạng sóng bậc thang là một ưu điểm so với các loại ADC khác

 ADC liên tiếp - xấp xỉ

Bộ chuyển đổi liên tiếp - xấp xỉ ( Successive Approximation SAC) là một trong những loại ADC thông dụng nhất SAC có sơ đồ phức tạp hơn nhiều so với ADC dạng sóng bậc thang Ngoài ra SAC còn có giá trị thời gian chuyển tc cố định, không phụ thuộc vào giá trị của đầu vào tương tự

Conveter- Sơ đồ khối của ADC liên tiếp xấp xỉ

Hình 2.11: Sơ đồ khối của ADC liên tiếp xấp xỉ

Hình 2.11 là một cấu hình cơ bản của SAC, tương tự cấu hình của ADC dạng sóng bậc thang Tuy nhiên SAC không sử dụng bộ đếm cung cấp đầu vào cho DAC

mà thay vào đó là thanh ghi Logic điều khiển sửa đổi nội dung lưu trên thanh ghi

theo từng bit một cho đến khi dữ liệu ở thanh ghi biến thành giá trị số tương đương

với đầu vào tương tự V A trong phạm vi độ phân giải của bộ chuyển đổi

 Hoạt động của ADC liên tiếp – xấp xỉ

Mạch ADC hoạt động theo lưu đồ Hình 2.12

Hình 2.12: Lưu đồ hoạt động của ADC liên tiếp xấp xỉ

+ Thời gian chuyển đổi của ADC liên tiếp – xấp xỉ

Theo Hình 2.12, logic điều khiển đếm từng bit trên thanh ghi, gán 1 cho nó, quyết định có cần duy trì chúng tại mức 1 hay không rồi chuyển sang bit kế tiếp Thời gian xử lý mỗi bit kéo dài mỗi chu kỳ xung nhịp, nghĩa là tổng thời gian chuyển đổi của SAC N bit sẽ là N chu kỳ xung nhịp Ta có:

t C = N x chu kỳ xung nhịp

Thời gian chuyển đổi này luôn như nhau bất chấp giá trị của VA Điều này là

đo logic điều khiển phải xử lý mỗi bit để xem có cần đến mức 1 hay không

 ADC nhanh

 Cấu tạo của ADC nhanh

Bộ chuyển đổi nhanh (flash converter) là ADC tốc độ cao nhất hiện nay có mặt trên thị trường, nhưng sơ đồ mạch phức tạp hơn các loại khác Ví dụ một ADC nhanh 6 bit đòi hỏi 63 bộ so sánh tương tự, còn ADC nhanh 8 bit thì con số này lên đến 255, 10 bit thì lên đến 1023 Như vậy số lượng bộ so sánh quá lớn đã giới hạn kích cỡ của ADC nhanh

Hình 2.13: Cấu tạo của ADC nhanh độ phân giải 3 bit

ADC nhanh ở Hình 2.13 có độ phân giải 3 bit Kích thước bậc thang là 1V

Bộ chia điện thế thiết lập mức quy chiếu cho từng bộ so sánh để có được 7 mức ứng với 1V ( trọng số của LSB ), 2V, 3V, …7V (đầy thang) Đầu vào tương tự VA được nối đến đầu vào còn lại của từng bộ so sánh

 Hoạt động của ADC nhanh

Với V A < 1V thì tất cả đầu ra của bộ so sánh đều lên mức cao Với V A > 1V thì từ một đầu ra trở lên sẽ xuống mức thấp, đầu ra của bộ so sánh được đưa vào

bộ mã hoá ưu tiên tích cực ở mức thấp, sinh đầu ra ứng với đầu ra có số thứ tự cao

nhất ở mức thấp của bộ so sánh Lý luận tương tự ta sẽ có được bảng giá trị như Bảng 2.5

Bảng 2.5: Bảng chuyển đổi tương tự số của ADC nhanh 3bit

 Thời gian chuyển đổi của ADC nhanh

Bộ chuyển đổi nhanh không cần thiết tín hiệu xung nhịp vì tiến trình này xảy

ra liên tục Khi giá trị đầu vào thay đổi thì đầu ra của bộ so sánh sẽ thay đổi làm cho ngõ ra của bộ mã hóa thay đổi theo Như vậy thời gian chuyển đổi là thời gian cần

thiết để xuất hiện một đầu ra số mới đáp lại một thay đổi ở V A Thời gian chuyển đổi chỉ phụ thuộc vào khoảng trễ do đường truyền của bộ so sánh và bộ mã hóa Vì vậy mà ADC nhanh có thời gian chuyển đổi vô cùng ngắn

2.5 Khối xử lý trung tâm

Khối xử lý trung tâm là khối có nhiệm vụ xử lý thông tin và đưa ra các lệnh điều khiển phù hợp Khối xử lý trung tâm có thể sử dụng vi xử lý (VXL) hoặc vi

người thiết kế phải hiểu biết tinh tường về các thành phần VXL, bộ nhớ, các thiết bị ngoại vi Hệ thống được tạo ra khá phức tạp, chiếm nhiều không gian, mạch in phức tạp và vấn đề chính là trình độ người thiết kế Kết quả là giá thành sản phẩm cuối

cùng rất cao, không phù hợp để áp dụng cho các hệ thống nhỏ

Vì một số nhược điểm trên nên các nhà chế tạo tích hợp một ít bộ nhớ và một

số mạch giao tiếp ngoại vi cùng với VXL vào một IC duy nhất được gọi là

Microcontroller - Vi điều khiển

2.5.1 Một số đặc điểm khác nhau giữa vi xử lí và VĐK

 Vềphần cứng

VXL cần được ghép thêm các thiết bị ngoại vi bên ngoài như bộ nhớ, và các thiết bị ngoại vi khác, … để có thể tạo thành một bản mạch hoàn chỉnh Đối với VĐK thì bản thân nó đã là một hệ máy tính hoàn chỉnh với CPU, bộ nhớ, các mạch

giao tiếp, các bộ định thời và mạch điều khiển ngắt được tích hợp bên trong mạch

 Về các đặc trƣng của tập lệnh

Do ứng dụng khác nhau nên các bộ VXL và VĐK cũng có những yêu cầu khác nhau đối với tập lệnh của chúng Tập lệnh của các VXL thường mạnh về các kiểu định địa chỉ với các lệnh cung cấp các hoạt động trên các lượng dữ liệu lớn như 1byte, ½ byte, word, double word, Ở các bộVXL, các tập lệnh rất mạnh trong

việc xử lý các kiêu dữ liệu nhỏ như bit hoặc một vài bit

Do VĐK cấu tạo vềphần cứng và khả năng xử lí thấp hơn nhiều soi với VXL nên giá thành của VĐK cũng rẻ hơn nhiều Tuy nhiên nó vẫn đủ khả năng đáp ứng được tất cả các yêu cầu của người dùng Đối với yêu cầu chức năng của thiết bị tôi

quyết định chọn VĐK trong thiết kế khối xử lý trung tâm

2.5.2 Phân loại các loại VĐK

 Độ dài thanh ghi

Dựa vào độ dài của các thanh ghi và các lệnh của VĐK mà người ta chia ra các loại VĐK 8bit, 16bit, hay 32bit

Các loại VĐK 16 bit do có độ dài lệnh lớn hơn nên các tập lệnh cũng nhiều hơn, phong phú hơn Tuy nhiên bất cứ chương trình nào viết bằng VĐK 16 bit chúng ta đều có thể viết trên VĐK 8 bit với chương trình thích hợp

 Kiến trúc CISC và RISC

VĐK CISC là VĐK có tập lệnh phức tạp Các VĐK này có một số lượng lớn các lệnh nên giúp cho người lập trình có thể linh hoạt và dễ dàng hơn khi viết

chương trình

VĐK RISC là VĐK có tập lệnh đơn giản Chúng có một số lượng nhỏ các lệnh đơn giản Do đó, chúng đòi hỏi phần cứng ít hơn, giá thành thấp hơn, và nhanh hơn so với CISC Tuy nhiên nó đòi hỏi người lập trình phải viết các chương trình phức tạp hơn, nhiều lệnh hơn

 Kiến trúc Harvard và kiến trúc Vonneumann

Kiến trúc Harvard sử dụng bộ nhớ riêng biệt cho chương trình và dữ liệu Bus địa chỉ và bus dữ liệu độc lập với nhau nên quá trình truyền nhận dữ liệu đơn giản hơn

Kiến trúc Vonneumann sử dụng chung bộ nhớ cho chương trình và dữ liệu Điều này làm cho VĐK gọn nhẹ hơn, giá thành nhẹ hơn Một số loại VĐK có trên thị trường:

 ALU là bộ phận thao tác trên các dữ liệu

 Bộ giải mã lệnh và điều khiển, xác định các thao tác mà CPU cần thực hiện

 Thanh ghi lệnh IR, lưu giữ opcode của lệnh được thực thi

 Thanh ghi PC, lưu giữ địa chỉ của lệnh kế tiếp cần thực thi

 Một tập các thanh ghi dùng để lưu thông tin tạm thời

 ROM

ROM là bộ nhớ dùng để lưu giữ chương trình ROM còn dùng để chứa số liệu các bảng, các tham số hệ thống, các số liệu cố định của hệ thống Trong quá trình hoạt động nội dung ROM là cố định, không thể thay đổi, nội dung ROM chỉ thay đổi khi ROM ở chế độ xóa hoặc nạp chương trình

 RAM

RAM là bộ nhớ dữ liệu, bộ nhớ RAM dùng làm môi trường xử lý thông tin, lưu trữ các kết quả trung gian và kết quả cuối cùng của các phép toán, xử lý thông tin Nó cũng dùng để tổ chức các vùng đệm dữ liệu, trong các thao tác thu phát, chuyển đổi dữ liệu

 BUS

BUS là các đường dẫn dùng để di chuyển dữ liệu bao gồm: Bus địa chỉ, bus

dữ liệu, và bus điều khiển

2.6 Khối giao tiếp với người sử dụng

Khối giao tiếp với người sử dụng có chức năng nhận thông tin, yêu cầu từ người sử dụng đưa về khối xử lý trung tâm xử lý, đồng thời hiển thị thông tin phục

vụ người sử dụng Khối giao tiếp với người sử dụng cần phải thiết kế hợp lý, thân

thiện với người sử dụng Khối giao tiếp với người sử dụng có thể phân thành ba khối con

Khối nút bấm điều khiển: Khối này phục vụ việc thu nhận thông tin điều khiển từ người sử dụng

Khối hiển thị: Khối hiển thị thông tin khối lượng, thông tin thời gian

Khối báo hiệu: Khối báo hiệu hệ thống đang làm việc ở chế độ nào

2.6.1 Khối nút bấm điều khiển

Để đảm bảo chức năng của mạch, tôi đưa ra hệ thống nút bấm gồm 9 nút bấm với các chức năng như sau:

Bảng 2.6: Bảng chức năng nút bấm

1 UP Tăng 1 giá trị thời gian, số thứ tự

2 DOWN Giảm 1 giá trị thời gian, số thứ tự

3 SET TIME Chuyển sang chế độ cài đặt thời gian, chế độ cân

4 REWEIGT Yêu cầu máy cân lại giá trị khối lượng tại thời điểm hiện tại

5 RECALL Chuyển sang chế độ hiển thị giá trị khối lượng đã đo từ trước

sử dụng LED 7 thanh để hiển thị là hợp lý nhất

 Cấu tạo của LED 7 thanh

LED 7 thanh có cấu tạo bao gồm 7 LED đơn có dạng thanh xếp theo hình và

có thêm một LED đơn hình tròn nhỏ thể hiện dấu chấm tròn ở góc dưới, bên phải của LED 7 thanh, 8 LED đơn trên LED 7 thanh có Anode (cực +) hoặc Cathode