Thiết kế chế tạo mô đun khống chế nhiệt ứng dụng trong các thiết bị lưu trữ sinh phẩm

Ý tưởng ban đầu là sẽ thiết kế một mạch điều khiển có thể ổn định nhiệt độ dùng trong công đoạn bảo quản sinh phẩm, trong đó tập trung vào bảo quản máu và các chế phẩm.. CÁC TỪ VIẾT TẮT

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, hiện đại hóa thiết bị y tế đang là chủ đề được sự quan tâm của nhiều ngành và các cơ quan chức năng trong cả nước Việc khám chữa bệnh truyền thống với các trang thiết bị đơn giản dần không thể đáp ứng được nhu cầu trong nước cũng như không theo kịp được sự phát triển của y học trên thế giới

Song song với khám và điều trị bệnh, việc bảo quản và lưu trữ sinh phẩm là một khâu hết sức quan trọng Các sinh phẩm, trong đó có thể kể đến như vắc – xin, máu và các chế phẩm, … là thành phần không thể thiếu trong quá trình điều trị và chữa bệnh của y bác sỹ Mỗi ngày, có hàng triệu người được tiêm vắc – xin và truyền máu Đặc biệt với máu và các chế phẩm, đây là thành phần người không tự tổng hợp được, chỉ

có thể truyền từ người này sang người khác Máu và các chế phẩm về máu bị suy giảm chất lượng khi ra khỏi cơ thể người, đồng thời cần phải đảm bảo an toàn truyền máu, chính vì thế cần một quy trình bảo quản, lưu trữ rất nghiêm ngặt Nhiều tủ lưu trữ sinh phẩm đã ra đời, với dải nhiệt độ thích hợp cho việc bảo quản máu, tuy nhiên giá thành còn cao và chưa đáp ứng được nhiều yếu tố

Chính vì những lý do đó, tôi đã đề xuất và nghiên cứu: “Thiết kế chế tạo mô đun khống chế nhiệt ứng dụng trong các thiết bị lưu trữ sinh phẩm” Ý tưởng ban đầu là

sẽ thiết kế một mạch điều khiển có thể ổn định nhiệt độ dùng trong công đoạn bảo quản sinh phẩm, trong đó tập trung vào bảo quản máu và các chế phẩm Sau khi hoàn thành tôi sẽ tích hợp vào các thiết bị lưu trữ máu và chế phẩm để hoạt động, đồng thời

mở rộng ra đối với các thiết bị lưu trữ sinh phẩm khác

Trong thời gian qua, nhờ sự hướng dẫn, giám sát của TS Nguyễn Nam Quân và các thày, cô giáo ở Bộ môn Điện tử y sinh - Viện Điện tử Viễn thông cũng như các cán

bộ của Viện Huyết học Truyền máu Trung Ương và Bệnh viện Hữu nghị Việt Nam –

Cu Ba, tôi đã hoàn thành và đưa vào sử dụng sản phẩm trên Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thày, cô cũng như bạn bè, đồng nghiệp đã giúp tôi trong quá trình thực hiện và hi vọng sẽ nhận được sự góp ý nhiều hơn nữa để sản phẩm được hoàn thiện

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Máu và chế phẩm máu là một loạt chất lỏng thiết yếu trong cơ thể người và động vật, có nhiệm vụ mang các chất dinh dưỡng và Oxy cho các tế bào, đồng thời vận chuyển các sản phẩm thừa của quá trình trao đổi chất ra khỏi tế bào Hàng năm, nhu cầu truyền máu cho các bệnh nhân là rất lớn Phẫu thuật, chấn thương và các bệnh ung thư đều có nhu cầu truyền máu

Mặc dù nhu cầu rất lớn, nhưng máu lại không thể tổng hợp nhân tạo, mà chỉ có được nhờ truyền máu Mỗi ngày, có hơn 2000 đơn vị máu được chuyển tới bệnh viện Một phần trong số này sẽ được sử dụng ngay Phần còn lại sẽ được lưu trữ trong một

số bệnh viện lớn như Viện Huyết học và Truyền máu TW, Bệnh viện Hữu nghị Việt Nam – Cuba,…

Để bảo quản máu một cách tốt nhất, mỗi bệnh viện đều được trang bị một số tử lưu trữ sinh phẩm Các tủ này được nhập khẩu từ nước ngoài, do đó giá thành rất cao, khó khăn trong việc sửa chữa khi xảy ra sự cố và kinh phí sửa chữa lớn Trước thực tế đó,

em đã tiến hành nghiên cứu chế tạo, thử nghiệm mô đun thay thế cho tử lưu trữ sinh phẩm Việc tự chế tạo mô đun sẽ giúp giảm bớt chi phí cũng như thời gian sửa chữa cho tủ lưu trữ sinh phẩm Từ đó nghiên cứu chế tạo tủ lưu trữ sinh phẩm trong nước, thay thế cho tủ nhập khẩu

Sau 10 tháng tiến hành nghiên cứu, từ tháng 9/2013 đến tháng 7/2014, tôi đã thử nghiệm thành công mô đun thay thế trên tủ lưu trữ sinh phẩm dùng trong bảo quản máu và chế phẩm máu, với đầy đủ các chức năng: đo và hiển thị nhiệt độ, tự động điều chỉnh nhiệt độ, cảnh báo,

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

TÓM TẮT LUẬN VĂN 2

MỤC LỤC 3

CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN ………5

CÁC BẢNG BIỂU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN 8

CÁC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN 10

PHẦN MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 12

1.1 Tại sao cần phải lưu trữ máu và sinh phẩm: 12

1.2 Quy trình và yêu cầu đối với bảo quản máu và sinh phẩm 12

1.2.1 Yêu cầu đối với bảo quản máu và sinh phẩm 12

1.2.2 Yêu cầu đối với thiết bị lạnh bảo quản máu và các chế phẩm máu 17

1.3 Khảo sát tình hình thực tế: 18

1.4 Yêu cầu thiết kế: 21

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH HỆ THỐNG 24

2.1 Sơ đồ khối chức năng: 24

2.2 Khối cảm biến: 25

2.3 Khối xử lý tín hiệu đầu vào: 32

2.4 Khối xử lý trung tâm 34

2.4.1 Khối chuyển đổi tương tự - số: 34

2.4.2 Bộ xử lý trung tâm: 38

2.5 Khối điều khiển 39

2.6 Khối giao tiếp với người sử dụng 41

2.7 Khối nguồn: 42

2.7.1 Sơ đồ khối 43

2.7.2 Biến áp nguồn và chỉnh lưu 43

2.7.3 Lọc các thành phần xoay chiều của dòng điện ra tải 46

2.7.4 Ổn định điện áp 49

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ SẢN PHẨM 53

3.1 Khối cảm biến: 53

3.2 Khối xử lý tín hiệu: 54

3.3 Khối xử lý trung tâm (Vi điều khiển) 57

3.3.1 Vài nét về vi điều khiển PIC 16F877A 57

3.3.2 Khối ADC trong PIC 16F877A 63

3.3.3 Bộ nhớ EEPROM và Flash: 668

3.4 Khối điều khiển 73

3.5 Khối giao tiếp với người sử dụng 75

3.5.1 Khối hiển thị LED 7 thanh: 75

3.5.2 Khối nút bấm và cảnh báo: 81

3.6 Khối nguồn và dự phòng 82

CHƯƠNG 4 HOÀN THIỆN SẢN PHẨM VÀ KIỂM THỬ 84

4.6.1 Phương án kiểm thử 85

4.6.2 Kết quả 86

KẾT LUẬN 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ VIỆT – ANH 91

PHỤ LỤC 92

CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

Hình 1.1: Mạch điều khiển tủ lưu trữ Dometic 19

Hình 1.2: Cảm biến sử dụng trong tủ lưu trữ Dometic 19

Hình 1.3: Bảng điều khiển tủ lưu trữ sinh phẩm Dometic 20

Hình 2.1: Sơ đồ khối chức năng hệ thống 24

Hình 2.2: Mô hình mạch của bộ cảm biến 25

Hình 2.3: Cảm biến cặp nhiệt điện 26

Hình 2.4: Cảm biến RTD 27

Hình 2.5: Cảm biến Thermistor 28

Hình 2.6: Cảm biến DS 18B20 ngoài thực tế 29

Hình 2.7: Cảm biến NTC sử dụng trong tủ lưu trữ sinh phẩm Dometic 31

Hình 2.8: Vị trí đặt cảm biến trong khoang lạnh 31

Hình 2.9: IC khuếch đại thuật toán 32

Hình 2.10: Sơ đồ chân và hình dạng OPAMPs điển hình 33

Hình 2.11: Đặc tuyến điện trở biến đổi theo nhiệt độ được tuyến tính hóa bởi việc mắc điện trở song song [2] 34

Hình 2.12: Quá trình làm việc của bộ ADC 34

Hình 2.13: Sơ đồ chuyển đổi ADC nhanh với độ phân giải 3 bit [6] 36

Hình 2.14: Sơ đồ khối bộ chuyển đổi Sigma – Delta [6] 37

Hình 2.15: Bộ chuyển đổi ADC xấp xỉ gần đúng 37

Hình 2.16: Lưu đồ thuật toán điều khiển Compressor 39

Hình 2.17: Cấu tạo Rơ le 41

Hình 2.22: Sơ đồ khối nguồn 43

Hình 2.23: Biến áp 44

Hình 2.24: Sơ đồ cân bằng 44

Hình 2.25: Mạch chỉnh lưu cầu 45

Hình 2.26: Chỉnh lưu điện áp ra hai cực tính 46

Hình 2.27: Lọc bằng tụ điện 47

Hình 2.28: Lọc bằng cuộn cảm 47

Hình 2.29: Lọc hình L ngược 48

Hình 2.30: Lọc hình  48

Hình 2.31: Các bộ lọc cộng hưởng 49

Hình 2.32: Sơ đồ khối minh họa nguyên tắc làm việc của các mạch ổn định có hồi tiếp 50

Hình 2.33: Cách lấy tín hiệu đưa về bộ so sánh 49

Hình 2.34: a Sơ đồ khối bộ ổn áp mắc song song 51

Hình 3.1: Đồ thị điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ của NTC 54

Hình 3.2: Đồ thị phụ thuộc vào nhiệt độ của điện trở nhiệt sau khi tuyến tính hóa55 Hình 3.3: Mạch tạo nguồn dòng sử dụng LM334 [3] 55

Hình 3.4: Đồ thị điện áp, dòng điện và công suất trên NTC theo nhiệt độ 56

Hình 3.5: Sơ đồ chân của PIC 16F877A 58

Hình 3.6: Sơ đồ chức năng PIC 16F 877A 58

Hình 3.7: Sơ đồ khối PIC 16F887A 59

Hình 3.8: Thiết lập các chân chuyển đổi A/D 65

Hình 3.9: Sơ đồ chuyển đổi A/D 66

Hình 3.10: Tần số dao động tối đa của vi điều khiển tương ứng với thời gian chuyển đổi A/D 67

Hình 3.11: Lưu đồ thuật toán lưu lại giá trị nhiệt độ cao nhất và thấp nhất trong các khoảng nhiệt độ không cho phép 72

Hình 3.12: ULN 2803 trong thực tế 74

Hình 3.13: Sơ đồ chân ULN 2803 74

Hình 3.14: Sơ đồ thiết kế khối điều khiển 75

Hình 3.15: Khối hiển thị LED 7 thanh 76

Hình 3.16: LED 7 thanh HSPD – 3903 77

Hình 3.17: Sơ đồ chân HSDP – 3903 77

Hình 3.18: IC ghi dịch 74HC595 trong thực tế 77

Hình 3.19: Sơ đồ mức logic của IC 74HC595 78

Hình 3.20: Bảng chức năng IC 74HC595 78

Hình 3.21: Biểu đồ thời gian mô tả hoạt động của IC 74HC595 79

Hình 3.22: Biều đồ thời gian mô tả quét LED 7 thanh 81

Hình 3.23: Sơ đồ thiết kế khối hiển thị LED 7 thanh 81

Hình 3.24: Sơ đồ thiết kế khối nút bấm và cảnh báo 82

Hình 3.45: Sơ đồ khối LM 2576 83

Hình 3.46: Sơ đồ thiết kế khối nguồn 83 Hình 4.1: Mạch sản phẩm 84 Hình 4.2: Cảm biến được đưa vào dung dịch để đảm bảo đo chính xác nhiệt độ sinh phẩm 84 Hình 4.3: Thiết bị DataLogger 85 Hình 4.4: Phần mềm thiết lập thông số DataLogger 86 Hình 4.5: Giá trị nhiệt độ trung bình đo được của logger trong thời gian kiểm thử, trường hợp chạy tủ có đặt tải 86 Hình 4.6: Giá trị nhiệt độ trung bình đo được của logger trong thời gian kiểm thử, trường hợp chạy tủ không đặt tải 87 Hình 4.7: Thời gian bật/tắt block của tủ trong thời gian kiểm thử đối với trường hợp chạy tủ có tải 86

CÁC BẢNG BIỂU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

Bảng 1.1: Tính năng của tủ lưu trữ sinh phẩm Dometic 20

Bảng 1.2: Yêu cầu thiết kế của mạch sản phẩm 22

Bảng 2.1: Lựa chọn cảm biến trong các ngành nghề 29

Bảng 3.1: Các thông số cảm biến Vishay NTC 10k 2% 53

Bảng 3.2: So sánh tính năng các dòng sản phẩm PIC 16 F87XA 57

Bảng 3.3: Thứ tự chân và mô tả hoạt động các chân PIC 16F877A 61

Bảng 3.4: Tần số chuyển đổi ứng với giá trị các bit 64

Bảng 3.5: Thanh ghi ADCON1 65

Bảng 3.6: Cấu tạo thanh EECON1 69

Bảng 3.7: Bảng mã LED 7 thanh Cathode chung 77

Bảng 3.12: Thông số LM 2576 83

Bảng 4.1: Bảng thông số DataLogger 85

CÁC BẢNG BIỂU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

Bảng 1.1: Tính năng của tủ lưu trữ sinh phẩm Dometic 20

Bảng 1.2: Yêu cầu thiết kế của mạch sản phẩm 22

Bảng 2.1: Lựa chọn cảm biến trong các ngành nghề 29

Bảng 3.1: Các thông số cảm biến Vishay NTC 10k 2% 53

Bảng 3.2: So sánh tính năng các dòng sản phẩm PIC 16 F87XA 57

Bảng 3.3: Thứ tự chân và mô tả hoạt động các chân PIC 16F877A 61

Bảng 3.4: Tần số chuyển đổi ứng với giá trị các bit 64

Bảng 3.5: Thanh ghi ADCON1 65

Bảng 3.6: Cấu tạo thanh EECON1 70

Bảng 3.7: Bảng mã LED 7 thanh Cathode chung 77

Bảng 3.12: Thông số LM 2576 83

Bảng 4.1: Bảng thông số DataLogger 85

CÁC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

 CPDA: Dung dịch bảo quản máu, bao gồm Citrate, Phosphat, đường

Dextrose, Adenin

 HTT: Huyết tương tươi

 HTTĐL: Huyết tương tươi đông lạnh

 LED: Light Emitting Diode – Diode phát quang

 RTD:Resistance Temperature Detectors – Phát hiện thay đổi nhiệt độ dựa trên giá trị điện trở

 NTC: Negative Temperature Coefficent – Hiệu ứng điện trở thay đổi nghịch

với nhiệt độ bên ngoài

 PTC: Positive Temperatrue Coefficent – Hiệu ứng điện trở thay đổi thuận

với nhiệt độ bên ngoài

 IC: Intergrated Circuit – Mạch tích hợp

 Op Amp: Operated Amplifier – Khuếch đại thuật toán

 I2C: Inter – Intergrated Circuit

 ADC: Analog to Digital Converter – Bộ chuyển đổi tương tự - số

 RISC: Reduced Instructions Set Computer - Tập lệnh đơn giản hóa

 ROM: Read Only Memory – Bộ nhớ chỉ đọc

 RAM: Random Access Memory – Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên

 EEPROM: Erasable Programmable Read-Only Memory– Bộ nhớ cho phép

ghi và xóa bằng điện

 USART:Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter – Truyền và nhận dữ liệu đối xứng/ bất đối xứng

 PWM: Pulse Width Modulation – Điều chế độ rộng xung

PHẦN MỞ ĐẦU

Luận văn tập trung vào giải quyết bài toán ổn định nhiệt độ tủ lưu trữ sinh phẩm trong nhiệt độ cho phép ở 4 độ C, dao động cho phép so với nhiệt độ chuẩn là 2 độ C Ngoài ra mạch thiết kế cũng cần phải bổ sung các tính năng cảnh báo trong các trường hợp nhiệt độ không thuộc dải cho phép, xảy ra sự cố, … , đưa ra các tùy chỉnh cho người sử dụng, đồng thời đưa ra phương án dự phòng khi xuất hiện lỗi hệ thống Hiện nay, các tủ lưu trữ sinh phẩm trong các bệnh viện nói chung và tại Viện Huyết học & Truyền máu Trung ương, bệnh viện Hữu nghị Việt Nam – Cu Ba Hà Nội đều điều khiển nhiệt độ dựa trên việc điều khiển tốc độ làm lạnh của Compressor, nhận biết thay đổi của nhiệt độ và đưa ra phương án xử lý thông qua Thermostat Một

số dòng cao cấp hơn sử dụng các mạch điện tử, bổ sung các tính năng giao tiếp với người sử dụng và đảm bảo an toàn khi sử dụng Mục đích chính của luận văn là thiết

kế mạch điện tử đủ khả năng điều khiển Compressor, qua đó có thể điều khiển nhiệt độ trong tủ lưu trữ sinh phẩm trong khoảng ổn định Ngoài ra mạch điện tử cần bổ sung các cơ chế cảnh báo và dự phòng khi có sự cố xảy ra Dựa trên các yêu cầu trên, luận văn của tôi sẽ trình bày theo các phần sau:

 Chương 1: Đặt vấn đề Phần này sẽ đề cập về tình hình thực tế của hệ thống lưu trữ máu và chế phẩm máu tại Viện Huyết học & Truyền máu Trung ương và bệnh viện Hữu nghị Việt Nam – Cu Ba Hà Nội, sự cần thiết phải đưa ra các mô đun thay thế cũng như yêu cầu thiết kế cụ thể

 Chương 2: Phân tích hệ thống Phần này sẽ đưa ra các phân tích yêu cầu bài toán, đưa ra các sơ đồ khối, cơ sở lý thuyết, thuật toán để giải quyết các yêu cầu trên

 Chương 3: Thiết kế hệ thống Phần này đưa ra các thiết kế dựa trên các phân tích ở chương 2, lựa chọn linh kiện, sơ đồ thiết kế, …

 Chương 4: Đưa ra sản phẩm hoàn thiện, các phương án kiểm thử và đưa vào hoạt động của sản phẩm

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Phần này trình bày các khảo sát tình hình thực tế của tủ lưu trữ sinh phẩm tại Viện Huyết học & Truyền máu Trung Ương và bệnh viện Hữu nghị Việt Nam – Cu Ba Hà Nội, từ đó đưa ra các yêu cầu thiết kế đối với mô đun thay thế Mô đun thay thế trước hết phải đáp ứng đủ các yêu cầu của mạch điều khiển cũ, đồng thời phải có tính ổn định và an toàn

1.1 Tại sao cần phải lưu trữ máu và sinh phẩm:

Theo ước tính của các chuyên gia, mỗi năm ngành Y tế Việt Nam cần gần 5 triệu đơn vị máu để phục vụ công tác điều trị và cấp cứu Tuy nhiên theo số liệu từ Ban chỉ đạo Quốc Gia Vận động Hiến máu tình nguyện, thì năm 2014 cả nước huy động chưa được 1 triệu đơn vị máu (số liệu chính xác là 769.702 đơn vị), trong đó tỉ lệ hiến máu tình nguyện đạt 59%, chỉ mới đáp ứng được khoảng 30% nhu cầu điều trị của người bệnh Đến nay trên thế giới cũng như ở Việt Nam, khoa học vẫn chưa tìm ra máu nhân tạo để thay thế nguồn máu lấy từ con người, chính vì thế tất cả nguồn máu để điều trị cho bệnh nhân đều bắt buộc phải được con người hiến tặng Nhiều ca bệnh trầm trọng hơn hoặc tử vong do không có máu để truyền kịp thời

Như chúng ta đã biết, máu và các chế phẩm máu là các loại thuốc điều trị đặc biệt, chỉ có thể lấy từ người Hàng ngày có rất nhiều người bệnh cần truyền máu và được cứu chữa nhờ truyền máu Số lượng đơn vị máu và các chế phẩm thu được từ những người hiến máu là chưa đủ để phục vụ nhu cầu điều trị Ngoài ra, máu khi đến được với người bệnh cần phải trải qua quá trình sàng lọc, tách ghép vô cùng khắt khe và phức tạp, bởi khi máu đi ra khỏi cơ thể sẽ rất dễ bị hỏng do các tác nhân bên ngoài Việc bảo quản máu phải tuân theo một dây chuyền với những yêu cầu nghiêm ngặt

1.2 Quy trình và yêu cầu đối với bảo quản máu và sinh phẩm

1.2.1 Yêu cầu đối với bảo quản máu và sinh phẩm

 Máu toàn phần:

Là máu lấy từ mạch máu người cho máu được bảo quản trong túi (chai) có chất chống đông và bảo quản máu Hiện nay dung dịch bảo quản máu thông thường là CPDA gồm citrate, phosphat, đường dextrose, adenin Mỗi đơn vị máu toàn phần 250ml có khoảng 30 – 40g huyết sắc tố Ở Việt Nam có các loại đơn vị máu 250ml,

350ml, 450ml Ngoài ra còn một số đơn vị có dung tích ít hơn (50, 100, 150ml) cho trẻ

em

Bảo quản máu toàn phần ở 2 đến 60C, thời gian bảo quản tối đa là 42 ngày (với dung dịch bảo quản là CPDA) Máu toàn phần lưu trữ chứa thành phần chính là hồng cầu, nếu mới thu nhận còn có tiểu cầu và một số yếu tố đông máu Bạch cầu đoạn nhanh chóng bị huỷ và giải phóng ra các chất trung gian Ngoài ra trong đơn vị máu toàn phần còn chứa các tế bào lympho và yếu tố huyết tương

Chỉ định:Trường hợp bệnh nhân mất nhiều máu (mất ≥1/3 lượng máu cơ thể) Không nên dùng: Bệnh nhân suy thận, suy tim, chỉ thiếu máu đơn thuần

Khối hồng cầu có dung dịch bảo quản:

Sau khi tách huyết tương khỏi hồng cầu, trả lại dung dịch bảo quản

Thành phần: hồng cầu và dung dịch bảo quản, còn ít bạch cầu, lượng huyết sắc tố tương tự máu toàn phần

Bảo quản: 2 – 6°C thời gian 42 ngày

Chỉ định: Các trường hợp thiếu máu: thiếu máu do suy tim, suy thận

Khối hồng cầu nghèo bạch cầu

Là máu toàn phần được tách huyết tương và tách thành phần Buffy coast (lớp giữa huyết tương và hồng cầu)

Thành phần:

* Hồng cầu

* Bạch cầu đã được loại bỏ hầu hết, chỉ còn lại khoảng 10% so với khối hồng cầu thông thường

Ưu điểm:

* Giảm phản ứng do bạch cầu (kháng thể kháng bạch cầu, bạch cầu lympho, chất trung gian)

* Giảm nguy cơ lây bệnh mà tác nhân cư trú trong bạch cầu

Chỉ định: Những trường hợp thiếu máu đơn thuần

Khối hồng cầu rửa:

Máu toàn phần hoặc khối hồng cầu được ly tâm bỏ hết huyết tương rồi thay thế nước muối trộn đều ly tâm tiếp để rửa 3 lần

Thành phần: hồng cầu + nước muối

Bảo quản: ở 2 đến 6 °C : dưới 24 giờ

ở 22 °C : dưới 6 giờ Chỉ định: Truyền cho bệnh nhân thiếu máu tan máu tự miễn

Khối hồng cầu lọc bạch cầu và khối hồng cầu chiếu xạ:

Là khối hồng cầu đã được dùng màng lọc bạch cầu hay tia xạ hoặc cả hai

Bảo quản: 2 – 6 °C dưới 2 tuần từ khi chiếu xạ, nếu dùng màng lọc rời (hở) thì sau lọc không để quá 24 giờ

Thành phần: Hồng cầu, Bạch cầu còn lại rất ít (lọc bạch cầu), Bạch cầu bị bất hoạt (chiếu xạ)

Chỉ định: Cho bệnh nhân thiếu máu có giảm nặng miễn dịch, đặc biệt bệnh nhân ghép tạng, bệnh nhân chuẩn bị ghép

Thông thường để đảm bảo an toàn, người ta sử dụng cả chiếu xạ và lọc bạch cầu cho đơn vị máu sẽ truyền cho bệnh nhân ghép

 Khối tiểu cầu: Bao gồm 2 loại sau

Khối tiểu cầu tách từ máu toàn phần:

Bằng ly tâm các túi máu toàn phần, gạn lấy lớp Buffy coast rồi ly tâm tách lấy tiểu

được 1 đơn vị pool tiểu cầu (tập hợp tiểu cầu từ nhiều người cho máu)

Bảo quản: Nếu chưa pool (chưa trộn) để 22°C, lắc liên tục 3-5 ngày Nếu đã pool (trộn) qua hệ thống hở để dưới 24 giờ

Thành phần: Số lượng tiểu cầu/ pool khoảng 1,5 x 1011

Chỉ định : Các bệnh gây giảm tiểu cầu đặc biệt giảm tiểu cầu sau điều trị bệnh ác tính

Khối tiểu cầu tách chiết (apheresis)

Dùng máy tách tế bào với bộ kit (dụng cụ) chuyên dụng để lấy tiểu cầu từ một người cho

Thành phần : có ≥ 3,0 x 1011 tiểu cầu/ đơn vị, có ít bạch cầu

Bảo quản : 22°C trong máy lắc liên tục, tối đa được 5 ngày

Chỉ định: Các bệnh giẩm tiểu cầu nặng; sốt xuất huyết có giảm tiểu cầu nặng, giảm tiểu cầu sau điều trị hóa chất, trong các bệnh suy tủy, rối loạn sinh tủy

Đối với xuất huyết giảm tiểu cầu miễn dịch, chỉ định khối tiểu cầu khi xuất huyết, nguy cơ xuất huyết nặng, hoặc số lượng tiểu cầu thấp (< 20.109/l)

 Huyết tương tươi đông lạnh

Phần huyết tương tách ra từ máu toàn phần trong thời hạn 6 giờ kể từ lúc lấy máu gọi là huyết tương tươi (HTT) Huyết tương tươi bảo quản đông lạnh gọi là huyết tương tươi đông lạnh (HHTĐL)

Thành phần:

+ Các yếu tố huyết tương: Albumin, globulin miễn dịch

+ Yếu tố đông máu bền vững

+ Yếu tố VIII, còn khoảng 70%

Lượng huyết tương tách từ một đơn vị máu hiện nay có dung tích khoảng 125 – 150ml Người ta thường pool (gộp) lượng HTT của hai đơn vị máu toàn phần cùng nhóm và như vậy dung tích khoảng 250-300ml

Bảo quản: - 25°C, thời hạn 1 năm, nếu để dưới - 25°C có thể được 2 năm

Chỉ định:

+ Thay thế huyết tương

+ Rối loạn đông máu

+ Bệnh Hemophilia A & B

+ Tai biến dùng quá liều kháng vitamin K

+ Bù các thành phần và thể tích huyết tương, shock do bỏng

+ Mất nhiều máu do chấn thương, phẫu thuật (phối hợp truyền khối hồng cầu và khối tiểu cầu)

Lưu ý:Huyết tương cũng chứa các yếu tố lây nhiễm nên có thể dùng hóa chất hoặc tia cực tím ức chế virus

 Tủa (cryo)

Để HTTĐL ở 4°C, huyết tương tan ra có 1 phần tủa, li tâm thu nhận các tủa này đó

là cryo (tủa VIII)

Thành phần: Nồng độ VIII khoảng 2-3 đơn vị/ml, Yếu tố V, Fibrinogen

Bảo quản như HHTĐL

Chỉ định: + Bệnh nhân rối loạn đông máu: (mất fibrinogen, DIC)

+ Bệnh nhân Hemophilia A

 Huyết tương tươi đã tách tủa:

Phần huyết tương tách ra sau khi lấy tủa ở HTTĐL có thể bảo quản lại - 25°C

Thành phần: Albumin, một số globulin, một số yếu tố đông máu (yếu tố IX) Bảo quản: Như HHTĐL

Chỉ định: Mất huyết tương, hemophilia B, Tai biến quá liều kháng vitamin K

 Huyết tương đông lạnh:

Thành phần: Các yếu tố huyết tương, các yếu tố đông máu không bền vững Là huyết tương tách từ máu toàn phần nhưng tách sau 6 giờ kể từ khi lấy máu và để - 25°C.g (như yếu tố VIII) còn lại ít

Bảo quản: Như HHTĐL

Chỉ định: Mất huyết tương, thiếu thể tích máu

 Các chế phẩm khác:

Khối bạch cầu hạt:

Tách từ phần Buffy Coast và tập hợp (pool) của nhiều người cho máu

Thành phần: Chứa nhiều bạch cầu hạt, hồng cầu và một số tế bào lympho, các chất bạch cầu giải phóng, tập hợp từ nhiều người cho nên nguy cơ nhiễm virus rất cao Bảo quản: 22°C, dưới 24 giờ

Chỉ định: bệnh nhân nhiễm trùng nặng, không còn bạch cầu hạt, điều trị bằng kháng sinh không kết quả

Chế phẩm huyết tương bất hoạt virus

Dùng các hóa chất, hoặc tia cực tím chiếu bất hoạt virus

- Yếu tố VIII cô đặc: bất hoạt virus và cô đặc từ nhiều người cho

- Các chất chiết từ huyết tương: Albumin, globulin

1.2.2 Yêu cầu đối với thiết bị lạnh bảo quản máu và các chế phẩm máu

 Yêu cầu chung về thiết bị lạnh bảo quản đơn vị máu và chế phẩm máu

Phòng đặt thiết bị lạnh bảo quản máu phải được bảo đảm có điện áp ổn định và thông khí tốt;

Thiết bị lạnh có đủ khoảng trống trong khoang bảo quản để bảo đảm lưu thông dòng khí, dễ kiểm tra và quan sát;

Nhiệt độ đồng đều ở mọi vị trí bên trong khoang bảo quản;

Thiết bị lạnh phải có hệ thống theo dõi nhiệt độ đáp ứng các yêu cầu sau:

- Có khả năng giám sát nhiệt độ đồng thời bằng hai phương pháp độc lập, liên tục

và lưu lại được thông số theo thời gian thực tế bằng hệ thống ghi nhiệt độ tự động hoặc ghi thủ công ít nhất 4 giờ một lần;

- Hệ thống giám sát nhiệt độ của thiết bị lạnh phải hoạt động được trong trường hợp mất điện nguồn;

- Có hệ thống cảnh báo nhiệt độ bất thường bằng âm thanh, ánh sáng

Thiết bị lạnh bảo quản đơn vị máu, chế phẩm máu không được dùng để bảo quản các thuốc thử, sinh phẩm xét nghiệm, thực phẩm;

Có chỗ bảo quản riêng, có nhãn phân biệt cho từng loại máu, chế phẩm máu như sau:

- Loại đã xét nghiệm an toàn sẵn sàng cấp phát;

- Loại chưa xét nghiệm;

- Loại đã xét nghiệm và có kết quả bất thường

 Yêu cầu đối với tủ lạnh bảo quản đơn vị máu, chế phẩm máu

Nhiệt độ bên trong khoang bảo quản luôn từ 2oC đến 6oC;

Bảo đảm sự đồng đều nhiệt của khoang bảo quản bằng thông gió cưỡng bức với quạt thông gió;

Cho phép quan sát được các túi máu lưu trữ bên trong khoang bảo quản, mà không cần mở cánh tủ

 Yêu cầu đối với quầy đông lạnh bảo quản đơn vị máu, chế phẩm máu

Nhiệt độ bên trong khoang bảo quản luôn có nhiệt độ từ âm 18oC (-18oC) trở xuống tuỳ theo yêu cầu bảo quản của loại chế phẩm máu và quy trình được phê duyệt;

Có khả năng định kỳ tự phá đông dàn lạnh hoặc phải định kỳ phá đông thủ công đá bám dính dàn lạnh

 Yêu cầu đối với máy lắc và tủ bảo quản tiểu cầu

Nhiệt độ bên trong khoang bảo quản luôn từ 20oC đến 24oC;

Bảo đảm sự đồng đều nhiệt độ trong tủ bằng thông gió cưỡng bức với quạt thông gió;

Quan sát được các túi tiểu cầu lưu trữ bên trong khoang bảo quản, mà không cần

mở cánh tủ;

Máy lắc theo chiều ngang;

Có hệ thống báo động khi máy lắc dừng hoạt động hoặc có những bất thường

1.3 Khảo sát tình hình thực tế:

Viện Huyết học và Truyền máu Trung ương là cơ quan chủ quản trong việc thu thập, xử lý và bảo quản các đơn vị máu từ rất nhiều nguồn trong cả nước Hiểu rõ được vai trò của khâu bảo quản máu và chế phẩm từ máu, tại đây đã sử dụng hệ thống tủ chuyên dụng dùng để lưu trữ máu Các tủ lưu trữ máu và sinh phẩm tại đây phần lớn là các tủ nhập ngoại theo dự án nước ngoài, đảm bảo các tiêu chuẩn đối với thiết bị lưu trữ và bảo quản máu và các chế phẩm máu Tuy nhiên sau một thời gian, một số tủ vì nhiều nguyên nhân mà bộ phận điều khiển đã gặp sự cố gây lỗi hệ thống hoặc ngừng hoạt động Theo thông tin cung cấp của Viện Huyết học và Truyền máu Trung ương, chi phí cho mỗi lần mời chuyên gia nước ngoài bảo dưỡng, sửa chữa các thiết bị trên là rất cao Đồng thời với mỗi chuyến đi như vậy thời gian thường kéo dài, ảnh hưởng đến quá trình lưu trữ và bảo quản máu và chế phẩm máu, bởi mỗi ngày Viện Huyết học và Truyền máu Trung ương phải tiếp nhận hàng nghìn đơn vị máu để bảo quản, chiết tách

và sàng lọc Như đã trình bày ở phần trước, máu là thành phẩn không tự điều chế được

mà chỉ có thể được cung cấp từ người hiến máu, ngoài ra quá trình lưu trữ, bảo quản máu đòi hỏi quy trình khắt khe và tuyệt đối an toàn Chính từ các lý do trên mà các kỹ

sư tại Viện Huyết học và Truyền máu Trung ương đã đề xuất với nghiên cứu thiết kế mạch thay thế đảm bảo hoạt động của tủ, đồng thời dễ dàng lắp đặt, bảo trì khi có sự

cố

Tủ lưu trữ máu và sinh phẩm đang được sử dụng ở Viện Huyết học và Truyền máu Trung ương và bệnh viện Hữu nghị Việt Nam – Cu Ba Hà Nội…, được sản xuất bởi

hãng Dometic – Luxembourg Tủ đảm bảo nhiệt độ trung bình trong khoảng 2 đến 6

độ C, phù hợp với việc bảo quản máu và các chế phẩm máu Tủ bao gồm 2 cảm biến, đặt ở khoang trên và khoang dưới của tủ, dùng để đo nhiệt độ trên và dưới, đảm bảo chính xác nhiệt độ trong tủ Ngoài ra, tủ lưu trữ máu và sinh phẩm Dometic còn có chế

độ hiển thị nhiệt độ trong tủ, đồng thời cảnh báo khi hệ thống bị lỗi Mạch điều khiển ngoài nhiệm vụ thu thập, lưu trữ dữ liệu nhiệt độ đo được và hiển thị, còn điều khiển

hệ thống máy nén khí lạnh và quạt đối lưu trong tủ Các nút bấm giúp hiệu chỉnh dải nhiệt độ cảnh báo trong tủ Ngoài ra, tủ còn có nút bấm dùng để bật tắt đèn huỳnh quang và bật chế độ rung chống đọng hơi nước ở mặt kính của tủ

Hình 1.1: Mạch điều khiển tủ lưu trữ Dometic

Hình 1.2: Cảm biến sử dụng trong tủ lưu trữ Dometic

Hình 1.3: Bảng điều khiển tủ lưu trữ sinh phẩmDometic

Một số tính năng và đặc điểm của tủ được trình bày trong bảng sau:

Bảng 1.1: Tính năng của tủ lưu trữ sinh phẩm Dometic

Cảm biến

 Cảm biến được bọc trong một hộp vuông, bên trong đặt dung dịch có tính chất hóa lý tương tự dung dịch máu để đảm bảo đo chính xác nhiệt độ dung dịch máu trong tủ

 Sử dụng 2 cảm biến trên và dưới để xác định nhiệt độ trên và dưới của tủ

 Các đèn LED hiển thị chế độ làm việc và trạng thái hiện tại của tủ:

- Đèn SET: báo hiệu đang ở chế độ hiệu chỉnh nhiệt độ ngưỡng trên và ngưỡng dưới

- Đèn ALARM: cảnh báo khi nhiệt độ quá ngưỡng cho phép, gồm 2 đèn WARM ALARM và COLD ALARM

- Đèn MEMORY: báo hiệu đã lưu lại nhiệt độ ngưỡng hiệu chỉnh, gồm 2 đèn MEMORY WARM và MEMORY COLD

- Đèn AC: báo hiệu điện áp vào ổn định hay bị lỗi, gồm 2 đèn AC FAIL và

AC OK

Điều khiển máy nén làm lạnh và quạt đối lưu

 Sử dụng tín hiệu điều khiển để điều khiển hệ thống làm lạnh và quạt đối lưu trong tủ

 Khi nhiệt độ trong dải cho phép sẽ để máy nén làm lạnh ở chế độ bình thường

 Khi nhiệt độ đo được ở cảm biến khoang trên quá nhiệt độ ngưỡng trên sẽ tăng tốc độ hệ thống làm lạnh

Cảnh báo và bảo vệ

 Khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng sẽ cảnh báo qua đèn LED và còi báo

 Khi điện áp đầu vào bị lỗi (quá tải, sụt áp,…), tủ sẽ cảnh báo qua đèn LED và còi báo

 Khi xảy ra lỗi hệ thống sẽ có thông báo thông qua mạch ngoài cảnh báo từ xa

 Khóa an toàn

Các tính năng khác

 Lưu lại giá trị nhiệt độ cao nhất và thấp nhất trong mỗi lần lỗi hệ thống

 Bật/ tắt đèn huỳnh quang trong tủ qua nút bấm ngoài

 Chống đọng hơi nước ở mặt kính của tủ bằng nút bấm bật/ tắt chế độ rung

Theo khảo sát tình trạng của tủ lưu trữ sinh phẩm trong Viện Huyết học & Truyền máu Trung ương và Bệnh viện Hữu nghị Việt Nam – Cu Ba, hiện tại có 10 tủ đang trong tình trạng không hoạt động được, do nhiều nguyên nhân Với yêu cầu của dây chuyền lưu trữ và bảo quản máu, đòi hỏi cần phải có sản phẩm ổn định và có thể nội địa hóa, thay thế khi gặp sự cố Với các tính năng và đặc điểm trên, cần phải đưa ra các yêu cầu chức năng và phi chức năng cho sản phẩm thiết kế

1.4 Yêu cầu thiết kế:

Sau khi tìm hiểu về tủ lưu trữ sinh phẩm tại Viện Huyết học và Truyền máu Trung ương, luận văn đưa ra các yêu cầu về thiết kế sản phẩm như sau:

 Đo và giám sát nhiệt độ:

Mạch điều khiển sẽ đo và giám sát nhiệt độ dựa trên 3 thông số chính: nhiệt độ buồng trên, buồng dưới, và nhiệt độ trung bình của tủ lưu trữ sinh phẩm Hệ thống sử dụng 2 cảm biến đặt ở buồng trên và buồng dưới của tủ, nhiệt độ đo được sẽ được

cộng trung bình và so sánh với nhiệt độ chuẩn để điều khiển Compressor Nhiệt độ đo được từ - 15độ đến 20 độ C, độ phân giải 0.1 độ C, sai số không quá 2%

 Điều khiển nhiệt độ trong tủ:

Khi nhiệt độ đo được quá nhiệt độ cho phép của tủ, mạch điều khiển sẽ đưa tín hiệu điều khiển Compressor hoạt động để làm lạnh tủ Khi nhiệt độ nằm trong dải cho phép, mạch điều khiển sẽ ngưng hoạt động Compressor

 Hiển thị và hiệu chỉnh:

Nhiệt độ hiển thị qua LED 7 thanh để dễ dàng quan sát, hiển thị độ phân giải đến 0.1 độ C Có các nút bấm: SET, WARM, COLD, MEM, RES để hiển thị và hiệu chỉnh các giá trị cảnh báo

 Cảnh báo:

Hệ thống có chức năng cảnh báo qua đèn và còi Khi hệ thống gặp sự cố, đèn cảnh báo sẽ bật, đồng thời còi sẽ kêu để cảnh báo người sử dụng khởi động lại hệ thống hoặc xem xét sự cố để khắc phục Ngoài ra hệ thống có thể cảnh báo từ xa khi xảy ra lỗi

 Tính năng khác:

Hệ thống có khả năng lưu lại giá trị nhiệt độ cao nhất và thấp nhất của tủ trong các khoảng thời gian báo động

 Yêu cầu khác:

Hệ thống hoạt động trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm của phòng Ngoài ra thiết kế

hệ thống cần ổn định và nội địa hóa, linh kiện dễ dàng thay thế khi gặp sự cố

Bảng 1.2: Yêu cầu thiết kế của mạch sản phẩm

Yêu cầu chức năng

1 Giám sát nhiệt độ buồng vùng trên và vùng dưới trong khoảng từ 2đến

6 độ C

2 LED hiển thị giúp cho người sử dụng theo dõi nhiệt độ trong buồng

3 Có thể hiệu chỉnh nhiệt độ yêu cầu trong buồng phù hợp với từng loại

máu và từng loại chế phẩm bảo quản

4 Điều khiển block của buồng sao cho nhiệt độ luôn ổn định

5 Có hệ thống cảnh báo khi nhiệt độ nằm ngoài khoảng quy định

6 Cảnh báo từ xa khi xảy ra lỗi hệ thống

7 Lưu lại giá trị nhiệt độ cao nhất và thấp nhất của tủ trong các khoảng

thời gian báo động

Yêu cầu phi chức năng

1 Phù hợp với nhiệt độ và độ ẩm trong phòng

2 Thiết kế hệ thống ổn định và nội địa hóa, linh kiện dễ dàng thay thế khi

gặp sự cố

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH HỆ THỐNG

Phần này, sẽ đưa ra phương án giải quyết bài toán xử lý từng yêu cầu, đồng thời đưa ra thuật toán và các sơ đồ khối chức năng cho mạch sản phẩm

2.1 Sơ đồ khối chức năng:

Chúng ta có thể tóm tắt chức năng của mạch điều khiển như sau: Mạch điều khiển

có chức năng nhận biết, xử lý các thông tin về nhiệt độ thu được từ bên ngoài thông qua cảm biến, sau đó đưa ra thông tin điều khiển và giao tiếp với người sử dụng Yêu cầu thiết kế có thể giải quyết dựa trên sơ đồ khối chức năng sau:

Hình 2.1: Sơ đồ khối chức năng hệ thống

 Khối cảm biến: có nhiệm vụ chuyển đổi giá trị nhiệt độ thành giá trị điện, cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích, ở đây là nhiệt độ

 Khối xử lý tín hiệu đầu vào: biến đổi giá điện từ khối cảm biến thành các giá trị có thể xử lý được bởi khối xử lý trung tâm

 Khối xử lý trung tâm: khối chức năng chính, tiếp nhận và đưa ra các đáp ứng đối với các tín hiệu vào, đồng thời đưa ra thông tin cần thiết tới bộ giao tiếp với người sử dụng

 Khối giao tiếp với người sử dụng: thực hiện chức năng giao tiếp giữa người

sử dụng và sản phẩm, nhận các thông tin từ người sử dụng và đưa ra các thông tin, cảnh báo từ sản phẩm

 Khối điều khiển: Khối trung gian giữa khối xử lý trung tâm và cơ cấu chấp hành, ở đây là Compressor, có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu từ khối xử lý trung tâm, xử lý và điều khiển cơ cấu chấp hành hoạt động

 Khối nguồn: Có chức năng cung cấp toàn bộ điện áp cho mạch hoạt động, đồng thời đưa ra cơ chế báo động khi xuất hiện sự cố điện áp

Qua toàn bộ nội dung phần 2.1, chúng ta có thể hình dung cơ bản về chức năng của sản phẩm, thông qua việc nhận biết, xử lý các thông tin về nhiệt độ bên ngoài để điều khiển, giao tiếp với người sử dụng Các phần tiếp theo sẽ đi vào phân tích chi tiết từng khối chức năng để có thể đưa ra giải pháp thiết kế cho sản phẩm

2.2 Khối cảm biến:

Các bộ cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là “thiết bị cảm nhận và

đáp ứng với các tín hiệu và kích thích” [1] Theo mô hình mạch ta có thể coi bộ cảm

biến như là một mạng hai cửa, trong đó cửa vào là biến trạng thái cần đo x và cửa ra là đáp ứng y của bộ cảm biến với kích thích đầu vào x Kích thích x thường ở dạng phi điện (nhiệt độ, áp suất, …) trong khi đáp ứng y ở dạng điện (điện áp, cường độ dòng điện, …)

Hình 2.2: Mô hình mạch 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)

Với yêu cầu của bài toán, chúng ta cần phải làm các phép đo liên quan tới nhiệt độ Theo cảm quan, nhiệt độ là thước đo dùng để chỉ trạng thái nóng hay lạnh của một vật Còn theo phương diện vật lý, nhiệt độ là kết quả của phép đo động năng trung bình của các phân tử trong một vật chất, hay nói cách khác, nó đặc trưng cho nội năng của vật

chất Trong thực tế, quá trình truyền nhiệt có thể theo ba cách: đối lưu, dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt Cảm biến nhiệt độ, dựa trên các hình thức truyền nhiệt trên, có thể thiết

kế theo dạng tiếp xúc dựa trên quá trình truyền nhiệt hoặc đối lưu, hoặc thiết kế theo dạng đo nhiệt độ từ xa thông qua hình thức bức xạ nhiệt

Một số cảm biến nhiệt độ được thiết kế dựa trên đặc tính thay đổi của vật liệu khi

có sự thay đổi về nhiệt độ, như sự dãn nở do nhiệt của kim loại, đặc tính phát sáng của một số vật liệu đặc biệt khi gặp nhiệt độ cao, … Trong thực tế, việc chế tạo và thiết kế các cảm biến nhiệt độ yêu cầu rất nhiều khâu đo kiểm và xử lý, đồng thời trong phần

lớn các trường hợp, các đáp ứng về nhiệt rất khó phân biệt và phi tuyến, do đó đầu ra cảm biến cần phải bổ sung các khâu khuếch đại và lý tưởng hóa

Hiện nay, các cảm biến nhiệt độ được thiết kế dựa trên 2 công nghệ: điện trở vật

liệu thay đổi theo nhiệt độ (thermoresistivity) hoặc các đại lượng điện thay đổi theo nhiệt độ (themoelectricity) Các cảm biến có điện trở thay đổi theo nhiệt độ, dựa trên

nguyên lý hoạt động và vật liệu chế tạo, có thể kế đến bao gồm cảm biến RTD, cảm biến thermistor, cảm biến dựa trên tiếp giáp diode, cảm biến bán dẫn , …Sau đây, chúng tôi đưa ra một số phương án lựa chọn cảm biến nhiệt độ:

 Cặp nhiệt điện

Cặp nhiệt điện gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu Nguyên lý hoạt động của cặp nhiệt điện dựa trên sự biến đổi điện áp giữa 2 đầu cặp nhiệt điện, nhiệt độ thay đổi cho ra suất điện động thay đổi (mV) Cảm biến nhiệt độ dạng này có

ưu điểm bền, đo được nhiệt độ cao, tuy nhiên bị nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số, độ nhạy không cao Dải nhiệt độ đo được có thể dao động từ - 1000C đến 18000C

Cặp nhiệt điện thường dùng trong các lò nhiệt, các hệ thống làm việc trong môi trường khắt nghiệt, hoặc có thể dùng trong các bộ phận đo nhiệt nhớt máy nén,… Chúng được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp, luyện kim, hay gia công vật liệu…

Trên thị trường hiện nay có nhiều loại cặp nhiệt điện khác nhau (E, J, K, R, S, T, B…) đó là vì mỗi loại cặp nhiệt điện đó được cấu tạo bởi 1 chất liệu khác nhau, từ đó suất điện động tạo ra cũng khác nhau dẫn đến dải đo cũng khác nhau Người sử dụng cần chú ý điều này để có thể lựa chọn loại cặp nhiệt điện phù hợp với yêu cầu của mình

Hình 2.3: Cảm biến cặp nhiệt điện

 Cảm biến RTD:

Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo Khi nhiệt độ thay đổi, điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định Cảm biến RTD có độ chính xác cao hơn cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều dài dây không hạn chế, tuy nhiên dải đo nhỏ hơn cặp nhiệt điện, giá thành cũng cao hơn Chúng có dải nhiệt độ đo được – 200 đến 7000

Hình 2.4: Cảm biến RTD

 Cảm biến Thermistor:

Cảm biến Thermistor có cấu tạo làm từ hỗn hợp các oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt,…Cảm biến dạng này sẽ thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi Cảm biến có ưu điểm bền, tiết kiệm chi phí, dễ chế tạo, tuy nhiên dải tuyến tính hẹp Nó thường được dùng làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử hoặc các ứng dụng trong nhiệt lạnh

Thermistor được cấu tạo từ hỗn hợp các bột ocid Các bột này được hòa trộn theo tỉ

lệ và khối lượng nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt độ cao Và mức độ dẫn điện của hỗn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi Có hai loại thermistor: Hệ

số nhiệt dương PTC- điện trở tăng theo nhiệt độ; Hệ số nhiệt âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ Thường dùng nhất là loại NTC

Hình 2.5: Cảm biến Thermistor

 Cảm biến bán dẫn:

Cảm biến được cấu tạo từ các loại chất bán dẫn Nguyên lý hoạt động của cảm biến bán dẫn dựa trên sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ Nó có các ưu điểm về tiết kiệm chi phí, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản, tuy nhiên không chịu nhiệt độ cao, kém bền Cảm biến thường được dùng để

đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử

Như tên gọi, cảm biến nhiệt bán dẫn là những loại cảm biến được chế tạo từ những chất bán dẫn Có các loại như Diode, Transistor, IC Nguyên lý của chúng là dựa trên mức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường Ta dễ dàng bắt gặp các cảm biến loại này dưới dạng diode (hình dáng tương tự Pt100), các loại IC như: LM35, LM335, LM45 Nguyên lý của chúng là nhiệt độ thay đổi sẽ cho ra điện

áp thay đổi Điện áp này được phân áp từ một điện áp chuẩn có trong mạch Gần đây

có cho ra đời IC cảm biến nhiệt cao cấp, chúng hổ trợ luôn cả chuẩn truyền thông I2C (DS18B20) mở ra một xu hướng mới trong thiết kế cảm biến

Vì được chế tạo từ các thành phần bán dẫn nên cảm biến nhiệt bán dẫn kém bền, không chịu nhiệt độ cao Nếu vượt ngưỡng bảo vệ có thể làm hỏng cảm biến Cảm biến bán dẫn mỗi loại chỉ tuyến tính trong một giới hạn nào đó, ngoài dải này cảm biến

sẽ mất tác dụng Hết sức quan tâm đến tầm đo của loại cảm biến này để đạt được sự chính xác Loại cảm biến này kém chịu đựng trong môi trường khắc nghiệt: Ẩm cao, hóa chất có tính ăn mòn, rung sốc va chạm mạnh

Hình 2.6: Cảm biến DS 18B20 ngoài thực tế

Có rất nhiều loại cảm biến đo nhiệt độ khác nhau, và việc lựa chọn chúng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: độ chính xác, khoảng nhiệt, tốc độ phản ứng, môi trường (hóa học, vật lý, hay điện) và giá thành Việc lựa chọn cảm biến không hề dễ dàng, cách an toàn và hay được sử dụng nhất là lựa chọn theo ngành nghề bởi thông thường, mỗi loại cảm biến được thiết kế để phục vụ cho một chuyên ngành riêng

Bảng 2.1: Lựa chọn cảm biến trong các ngành nghề

Sản xuất hàng hóa Cảm biến bán dẫn, cảm biến điện tử

Việc lựa chọn cũng có thể dựa trên những yêu cầu về các vấn đề sau:

- Độ chính xác

- Sự linh hoạt, có thể lắp ráp dễ dàng

- Giới hạn khoảng nhiệt cần đo

- Giá thành

- Có thể điều chỉnh riêng lẻ hay không

- Sự tương thích với môi trường và những ảnh hưởng (nếu có) của các tác nhân bên ngoài môi trường

Đối với tủ lưu trữ máu và sinh phẩm Dometic, lựa chọn cảm biến cần phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Đảm bảo độ chính xác trong dải nhiệt độ yêu cầu (từ -500C đến 300C)

- Cảm biến dạng dây dài để có thể đặt ở những vị trí cách xa mạch điều khiển

- Đầu bọc cảm biến cần phải thẩm thấu nhiệt tốt và chịu được môi trường dung môi (do yêu cầu đặt đầu đo trong dung dịch có tính chất hóa lý tương

tự như sinh phẩm)

Theo khảo sát, cảm biến sử dụng trong tủ lưu trữ sinh phẩmDometic là cảm biến NTC, giá trị điện trở thay đổi theo nhiệt độ Đây là cảm biến thuộc dạng cảm biến Themistor Nó khác với cảm biến RTD ở đặc điểm được chế tạo bằng vật liệu bán dẫn hoặc oxit kim loại Chính vì thế mà nếu như hàm truyền của cảm biến RTD luôn là một hàm đồng biến thì hàm truyền của NTC là một hàm nghịch biến, giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng Ngoài ra, cảm biến NTC có dải nhiệt độ không rộng bằng các cảm biến RTD do giới hạn nhiệt của vật liệu chế tạo, đồng thời độ nhạy của cảm biến

sẽ giảm bởi khi độ dốc của đường cong gần tới 0 Một số thông số cần quan tâm của cảm biến này như sau:

 Hàm quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ:

Với điện trở nhiệt NTC, C = 1mW/0C

Quan hệ giữa đáp ứng và kích thích có thể theo dõi qua bảng và đồ thị sau:

Hình 2.7: Cảm biến NTC sử dụng trong tủ lưu trữ sinh phẩm Dometic

(Nguồn: Tài liệu hướng dẫn về tiêu chuẩn vàng (Gold Safety Standard) đối

với tủ lưu trữ sinh phẩm Dometic)

Để đảm bảo độ chính xác, cảm biến được đặt ở phía trên và phía dưới khoang lạnh,

do có sự chênh lệch nhiệt độ giữa 2 khu vực Nhiệt độ sẽ được cộng trung bình và sử dụng các phép tính sai số để đưa ra tín hiệu cảnh báo và điều khiển

Hình 2.8: Vị trí đặt cảm biến trong khoang lạnh (Nguồn: Tài liệu hướng dẫn về tiêu chuẩn vàng (Gold Safety Standard) đối

với tủ lưu trữ sinh phẩm Dometic)

Để phù hợp với yêu cầu của thiết kế, tôi lựa chọn cảm biến có thiết kế và đặc tính tương tự như cảm biến đang được sử dụng trong các tủ lưu trữ sinh phẩm Dometic

2.3 Khối xử lý tín hiệu đầu vào:

Như chúng ta đã biết, tín hiệu trước khi vào bộ xử lý trung tâm cần phải được biến đổi sao cho có thể xử lý một cách dễ dàng nhất Mạch xử lý tín hiệu đầu vào là một thiết bị kỹ thuật làm nhiệm vụ biến đổi, gia công thông tin tính toán, phối hợp các tin

tức với nhau trong một hệ vật lý thống nhất[1] Mạch xử lý tín hiệu đầu vào có tác

dụng biến đổi giá trị đầu ra của cảm biến thành dạng có thể xử lý được bởi bộ xử lý trung tâm, đồng thời làm tăng độ nhạy và độ chính xác của thiết bị đo và hệ thống đo

Có nhiều loại mạch đo, phân loại theo chức năng có thể kể đến như: mạch tỉ lệ, mạch khuếch đại, mạch so sánh, mạch tạo hàm, …

 Mạch khuếch đại thuật toán:

Mạch khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier: Op-Amps) có ký hiệu như

hình sau:

Hình 2.9: IC khuếch đại thuật toán

Đây là một vi mạch tương tự rất thông dụng do trong Op-Amps được tích hợp một

số ưu điểm sau:

Hai ngõ vào đảo và không đảo cho phép Op-Amps khuếch đại được nguồn tín hiệu

có tính đối xứng (các nguồn phát tín hiệu biến thiên chậm như nhiệt độ, ánh sáng, độ

ẩm, mực chất lỏng, phản ứng hoá-điện, dòng điện sinh học thường là nguồn có tính đối xứng)

Ngõ ra chỉ khuếch đại sự sai lệch giữa hai tín hiệu ngõ vào nên Op-Amps có độ miễn nhiễu rất cao vì khi tín hiệu nhiễu đến hai ngõ vào cùng lúc sẽ không thể xuất hiện ở ngõ ra Cũng vì lý do này Op-Amps có khả năng khuếch đại tín hiệu có tần số rất thấp, xem như tín hiệu một chiều

Hệ số khuếch đại của Op-Amps rất lớn do đó cho phép Op-Amps khuếch đại cả những tín hiệu với biên độ chỉ vài chục mico Volt

Do các mạch khuếch đại vi sai trong Op-Amps được chế tạo trên cùng một phiến

Tổng trở ngõ ra thấp, cho phép Op-Amps cung cấp dòng tốt cho phụ tải

Băng thông rất rộng, cho phép Op-Amps làm việc tốt với nhiều dạng nguồn tín hiệu khác nhau Tuy nhiên cũng như các vi mạch khác, Op-Amps không thể làm việc

ổn định khi làm việc với tần số và công suất cao

Sơ đồ chân và hình dạng một op-amps điển hình

Hình 2.10: Sơ đồ chân và hình dạng OPAMPs điển hình

 Phương án thiết kế mạch xử lý tín hiệu đầu vào trong đề tài:

Trong nhiều trường hợp, người ta mong muốn có thể chuyển đổi hàm truyền phi tuyến thành hàm truyền tuyến tính hoặc tương tự tuyến tính trên từng khoảng Điều này giúp cho việc xử lý tín hiệu dễ dàng hơn, chính xác hơn Cảm biến NTC có hàm biến đổi điện trở theo nhiệt độ là hàm mũ exponential (exp), đây là một hàm phi tuyến

Để thực hiện tuyến tính hóa chúng ta có thể mắc song song với 1 điện trở khác[2] Giá

trị điện trở tương đương sẽ biến đổi tương tự tuyến tính theo nhiệt độ trong một số khoảng, chúng ta sẽ tính toán giá trị này sao cho điện trở biến đổi tuyến tính trong khoảng nhiệt độ cần đo Sau đó, chúng ta có thể thiết kế một nguồn dòng ổn định để tạo giá trị điện áp biến thiên tuyến tính theo nhiệt độ, đưa vào bộ xử lý trung tâm

Hình 2.11: Đặc tuyến điện trở biến đổi theo nhiệt độ được tuyến tính hóa bởi việc

mắc điện trở song song [2]

2.4 Khối xử lý trung tâm

Khối xử lý trung tâm có nhiệm vụ xử lý các thông tin từ khối xử lý tín hiệu đầu vào, đưa ra quyết định tới mạch điều khiển, đồng thời đưa thông tin tới khối giao tiếp với người sử dụng Để đọc được các tín hiệu tương tự từ khối xử lý tín hiệu đầu vào, cần phải có một bộ chuyển đổi tương tự - số

2.4.1 Khối chuyển đổi tương tự - số:

Tín hiệu đầu vào sau quá trình xử lý sẽ là một hàm truyền có điện áp thay đổi theo nhiệt độ Tín hiệu này là tín hiệu tương tự, điều đó có nghĩa là nó có vô số trạng thái tương ứng với các nhiệt độ khác nhau Trong khi mạch điện tử và bộ xử lý trung tâm chỉ có thể hiểu 2 trạng thái 0 và 1 Vì vậy để có thể làm việc với tín hiệu này, chúng ta cần phải biến đổi tín hiệu tương tự về dạng tín hiệu số, thông qua bộ chuyển đổi tương

tự - số (Analog – to – Digital Converter, viết tắt là ADC) Sau khi biến đổi về dạng số, thông tin có thể được lưu trữ, xử lý hoặc truyền đi tùy theo hoạt động của bộ xử lý trung tâm

Nguyên tắc làm việc của ADC được minh họa theo sơ đồ sau:

Hình 2.12: Quá trình làm việc của bộ ADC

Trước hết, tín hiệu tương tự được đi đến mạch lấy mẫu Nó có 2 nhiệm vụ:

- Lấy mẫu tín hiệu tương tự tại những thời điểm khác nhau và cách đều nhau

- Giữ cho biên độ điện áp tại các thời điểm lấy mẫu không đổi trong quá trình chuyển đổi tiếp theo

Tín hiệu ra của mạch lấy mẫu được đưa đến mạch lượng tử hóa để thực hiện làm tròn theo nguyên tắc so sánh Tín hiệu cần chuyển đổi được so sánh với một loạt các đơn vị chuẩn

Do yêu cầu của bài toán cần phải khôi phục giá trị của nhiệt độ tại từng thời điểm lấy mẫu, không chú trọng đến dạng của hàm truyền nhiệt độ theo thời gian, bởi vậy trong nội dung đồ án này chúng tôi tập trung vào khâu lượng tử hóa và mã hóa tín hiệu

Lượng tử hóa là quá trình xác định giá trị lượng tử hóa nào gần nhất với giá trị lấy mẫu, hay nói cách khác, chúng ta gán giá trị lượng tử hóa với giá trị lấy mẫu đó Mỗi giá trị lấy mẫu nằm trong khoảng giữa 2 giá trị lượng tử hóa, vì vậy sẽ tồn tại sai số giữa các giá trị này Độ lớn của sai số, hay độ chính xác của đáp ứng, phụ thuộc vào số lượng bit lượng tử hóa Số lượng bit càng nhiều, độ chính xác càng cao Có 2 thông số quan trọng của khâu lượng tử hóa bao gồm:

Độ phân giải (resolution):Khái niệm độ phân giải được dùng để chỉ số bit cần thiết

để chứa hết các mức giá trị số ngõ ra Nếu một mạch chuyển đổi ADC có độ phân giải

n bit thì sẽ có 2n mức giá trị có thể có ở ngõ ra số Độ phân giải liên quan mật thiết đến chất lượng chuyển đổi ADC, việc lựa chọn độ phân giải phải phù hợp với độ chính xác yêu cầu và khả năng xử lý của bô điều khiển

Điện áp tham chiếu (reference voltage):Điện áp tham chiếu (Vref) thường là giá

trị điện áp lớn nhất mà bộ ADC có thể chuyển đổi Trong các bộ ADC, Vref thường là thông số được đặt bởi người dùng, nó là điện áp lớn nhất mà thiết bị có thể chuyển đổi

Ví dụ: một bộ ADC 10 bit (độ phân giải) có Vref=3V, độ phân giải 10 bit Vậy bộ

lượng tử hóa sẽ gồm 1023 mức (1023=210-1) Mỗi khoảng lượng tử hóa tương ứng với giá trị điện áp 2.9 mV (3V / 1023 = 0.0029 V) Giả sử điện áp vào 1V, nó sẽ tương ứng với giá trị lượng tử hóa 344 (344 = 1/ 0.0029) Bộ ADC này sẽ không thể phân biệt các giá trị nhỏ hơn 2.9 mV Điều đó cho thấy điện áp tham chiếu và độ phân giải ảnh hưởng đến độ chính xác của quá trình chuyển đổi, vì vậy chúng ta cần tính toán để

chọn 1 điện áp tham chiếu phù hợp, không đƣợc nhỏ hơn giá trị lớn nhất của tín hiệu vào, nhƣng cũng không quá lớn

Sau mạch lƣợng tử hóa là mạch mã hóa Trong mạch mã hóa, kết quả lƣợng tử hóa đƣợc sắp xếp lại theo một trật tự nhất định phụ thuộc vào loại mã yêu cầu trên đầu ra

bộ chuyển đổi

Các bộ chuyển đổi A/D có thể chia ra làm các dạng sau:

- Bộ chuyển đổi A/D nhanh (Flash ADC): dựa trên các bộ so sánh ghép song

song, mỗi bộ so sánh sẽ đối chiếu điện áp vào với các mức tham chiếu khác nhau

Hình 2.13: Sơ đồ chuyển đổi ADC nhanh với độ phân giải 3 bit [6]

- Bộ chuyển đổi Sigma – Delta: Bộ chuyển đổi sẽ đƣa các tín hiệu sau lấy mẫu

qua một mạch tích phân, tín hiệu này sẽ so sánh với mức GND qua một bộ so sánh Lặp lại quá trình này để xuất ra một chuỗi bit, chuỗi bit này sẽ tỉ lệ với điện áp vào

Hình 2.14: Sơ đồ khối bộ chuyển đổi Sigma – Delta [6]

- Bộ chuyển đổi xấp xỉ gần đúng: Thay vì so sánh lần lượt các mức giá trị, bộ

chuyển đổi sẽ so sánh và tìm ra từng giá trị bit từ bit cao đến bit thấp, thông qua việc so sánh với điện áp trung bình của mức bit đó

Hình 2.15: Bộ chuyển đổi ADC xấp xỉ gần đúng

Hiện nay các bộ chuyển đổi A/D có thể là các IC chuyên dụng hoặc được tích hợp vào trong các vi điều khiển Do phạm vi của luận văn, tôi lựa chọn phương án các bộ chuyển đổi A/D tích hợp vào trong vi điều khiển để tiết kiệm chi phí và thiết kế gọn nhẹ

Đối với yêu cầu của bài toán, bộ xử lý trung tầm cần phải xử lý các tham số sau:

 Nhiệt độ đo được của cảm biến đặt tại khoang trên (Temp Above)

 Nhiệt độ đo được của cảm biến đặt tại khoang dưỡi (Temp Below)

 Nhiệt độ trung bình của 2 khu vực (Average Temp)

 Nhiệt độ cài đặt (Set Point)

 Nhiệt độ cảnh báo khi nhiệt độ quá cao (Warm Alarm)

 Nhiệt độ cảnh báo khi nhiệt độ quá thấp (Cold Alarm)

Vi điều khiển sẽ phân tích các tham số này và đưa ra thông tin tới các khối điều khiển và khối giao tiếp với người sử dụng

Qua quá trình tìm hiểu, tôi xin đưa ra một vài vi điều khiển đang được sử dụng phố biến ở Việt Nam hiện nay:

 MCS 51

Họ vi điều khiển MCS-51 được hãng Intel giới thiệu vào năm 1980, với các thành viên đầu tiên bao gồm: 8031 (không có ROM nội), 8051 (có ROM nội) và 8751 (có EEPROM nội) Các chức năng bao gồm: nguồn đơn 5V, 4 kB EEPROM chương trình (trừ 8031), 128 byte RAM dữ liệu, 4 bank thanh ghi, không gian địa chỉ chương trình

và dữ liệu 64 kB, chu kỳ máy gồm 12 xung clock, 32 chân I/O tổ chức thành 4 port (8031 chỉ có 16 chân), cổng nối tiếp nhiều chế độ, 2 bộ đếm/định thời (timer/counter) 16-bit, số học nhị phân và thập nhân, bộ nhân/chia phần cứng, và một số chức năng khác

 AVR

AVR là một họ vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất AVR là chip vi điều khiển 8 bits với cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa-RISC (Reduced Instruction Set Computer), một kiểu cấu trúc đang thể hiện ưu thế trong các bộ xử lí

AVR có cấu trúc Harvard, trong đó đường truyền cho bộ nhớ dữ liệu (data memory bus) và đường truyền cho bộ nhớ chương trình (program memory bus) được tách riêng Data memory bus chỉ có 8 bit và được kết nối với hầu hết các thiết bị ngoại vi

 PIC

PIC nói chung là họ vi điều khiển 8-bit/16-bit, dựa trên kiến trúc Harvard sửa đổi, với tập lệnh rút gọn (do vậy PIC thuộc loại RISC) PIC được sản xuất từ dòng cơ bản như PIC10 hay PIC12, qua dòng cấp thấp PIC16, cho đến dòng cấp cao PIC18 Hiện nay hãng Microchip đã có các họ vi điều khiển 16-bit, gồm PIC24H và PIC24F Hãng Microchip cũng vừa giới thiệu vào tháng 11 năm 2007 họ vi điều khiển 32-bit, PIC32MX, dựa trên lõi MIPS32 M4K

Do chủ yếu đã lập trình trên vi điều khiển PIC, đồng thời xét về giá thành, kích thước và yêu cầu lập trình, tôi sẽ lựa chọn vi điều khiển PIC cho Luận văn tốt nghiệp này

2.5 Khối điều khiển

Khối điều khiển có nhiệm vụ xử lý yêu cầu do bộ xử lý trung tâm đưa đến, đối với

tủ lưu trữ sinh phẩm Dometic, đó là điều khiển trạng thái bật/ tắt Compressor khi nhiệt

độ quá ngưỡng quy định Lưu đồ thuật toán điều khiển như sau:

Hình 2.16: Lưu đồ thuật toán điều khiển Compressor

Qua nghiên cứu thị trường, tôi nhận thấy các tủ lưu trữ sinh phẩm nói riêng và tủ lạnh nói chung đều thực hiện điều khiển máy nén bằng rơ le Do đó chúng tôi lựa chọn

rơ le để làm linh kiện điều khiển trong luận văn tốt nghiệp này