Thiết kế chế tạo thiết bị sưởi ấm dịch truyền ứng dụng trong y tế

Vì vậy, với các ca truyền dịch thông thường vào mùa đông hoặc các ca truyền dịch và truyền máu trong hồi sức cấp cứu thường sử dụng thiết bị sưởi ấm dịch truyền để phòng tránh những nguy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN PHAN KIÊN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, những gì tôi viết trong luận văn này là do sự tìm tòi và nghiên cứu của bản thân Các số liệu trong luận văn là có thực, mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý tưởng của tác giả đều được trích dẫn nguồn gốc cụ thể, rõ ràng

Luận văn này cho đến nay vẫn chưa được ai bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ nào và chưa được công bố trên bất kỳ một phương tiện thông tin nào

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi cam đoan

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2015

Học viên

Đỗ Thị Thu Hằng

Với tình cảm chân thành, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS

Nguyễn Phan Kiên người đã hướng dẫn, giúp đỡ, chỉ bảo tác giả tận tình

trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Tác giả xin chân thành cảm ơn Viện Sau đại học, Viện Điện tử viễn thông Đại học Bách khoa Hà Nội, các thầy cô giáo đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, đồng nghiệp trường Cao đẳng nghề Kỹ thuật thiết bị y tế đã tạo điều kiện, giúp đỡ, động viên tác giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài

Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới công ty TNHH Công nghệ ứng dụng Bách Khoa trong suốt thời gian qua đã hỗ trợ tinh thần và vật chất cho dự án được thực hiện thành công

Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn những ý kiến đóng góp vô cùng quý báu của các thầy cô giáo, các đồng nghiệp, các bạn bè, các em học sinh đã giúp đỡ tác giả hoàn thành đề tài luận văn

Xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2015

Học viên

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH SÁCH HÌNH VẼ

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

1.1 Thuật toán điều khiển PID 8

1.1.1 Giới thiệu về bộ điều khiển PID 8

1.1.2 Khâu P 9

1.1.3 Khâu I 10

1.1.4 Khâu D 11

1.1.5 Tổng hợp 3 khâu - Bộ điều khiển PID 12

1.1.6 Rời rạc hóa bộ điều khiển PID 13

1.2 Thiết kế bộ điều khiển PID 15

1.2.1 Sử dụng hàm quá độ của đối tượng (Ziegler - Nichols 1) 15

1.2.2 Sử dụng các giá trị tới hạn từ thực nghiệm (Ziegler-Nichols 2) 18

1.3 Sơ lược về vấn đề truyền nhiệt 19

1.3.1 Vấn đề truyền nhiệt 19

1.3.2 Tác dụng của keo tản nhiệt 23

1.4 Thiết bị, dụng cụ và một số tiêu chuẩn y tế 24

1.4.1 Dây truyền dịch 24

1.4.2 Chai dịch truyền/túi dịch truyền 24

1.4.3 Cách tính tốc độ truyền 24

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ TỔNG THỂ 25

2.1 Sơ đồ khối 25

2.1.1 Sơ đồ khối 25

2.1.2 Chức năng từng khối 25

2.2 Giới thiệu các linh kiện và thiết bị 26

2.2.1 Kiến trúc vi điều khiển PIC 18F4550 26

2.2.1.1 Giới thiệu 26

2.2.2.2 Sơ đồ chân 28

2.2.2 Peltier Cooler 12706 32

2.2.2.1 Cấu tạo 33

2.2.2.2 Nguyên lí hoạt động 33

2.2.3 Nhiệt điện trở NTC 36

2.2.4 LM 7805 38

2.2.5 IRFZ44N 39

2.2.6 TLP 250 40

2.3 Các phần mềm hỗ trợ 41

2.3.1 Proteus 7.8 sp2 41

2.3.2 Orcad 9.2 42

2.3.3 CCS 4.104 43

2.3.4 CCS 104 44

2.3.5 Solidworks 2010 45

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CHI TIẾT 46

3.1 Thiết kế vỏ 46

3.1.1 Bản vẽ thiết kế vỏ sản phẩm 46

3.1.2 Bản vẽ chi tiết khối gia nhiệt 49

3.1.3 Kết quả các chi tiết thực tế 50

3.2.3 Khối công suất và khối gia nhiệt 53

3.2.4 Khối điều khiển 55

3.2.5 Sơ đồ nguyên lí tổng thể 56

3.3 Gia công khối mạch 56

3.4 Thuật toán điều khiển 58

3.4.1 Lưu đồ chương trình PID 59

3.4.2 Các thông số 59

3.4.3 Phương pháp xác định hệ số 60

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 62

4.1 Xác định Kp 62

4.2 Xác định Kd 67

4.3 Xác định Ki 71

4.4 Kết quả thực nghiệm nhiệt độ dịch truyền đầu ra 73

KẾT LUẬN 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

PHỤ LỤC 2

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ADC : Analog to Digital Converter - bộ chuyển đổi tương tự - số

CNC : Computerized Numerically Controlled - Máy điều khiển bằng

máy tính

CPU : Central Processing Unit - đơn vị xử lý trung tâm

D : Derivative - vi phân

I : Integral - tích phân

LCD : Liquid Crystal Display - màn hình tinh thể lỏng

NTC : Negative Temperature Coefficient - nhiệt điện trở nghịch

PCB : Printed Circuit Board - bảng mạch in

PID : Proportional Integral Derivative - bộ điều khiển vi tích phân tỉ

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1 Mô hình máy sưởi ấm dịch truyền 3

Hình 2 Máy sưởi ấm dịch truyển tốc độ cao 3

Hình 3 Thiết bị sưởi ấm dịch truyền tốc độ thấp 4

Hình 4 Đồ thị thể hiện nhiệt độ dịch truyền tại đầu ra 5

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển PID 8

Hình 1.2 Sơ đồ khối khâu P 9

Hình 1.3 Đáp ứng khâu P 9

Hình 1.4 Đáp ứng của khâu I và P 10

Hình 1.5 Đáp ứng khâu D và PD 12

Hình 1.6 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID 12

Hình 1.7 Đáp ứng bộ PID 13

Hình 1.8 Sơ đồ khối PID 14

Hình 1.9 Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ a 16

Hình 1.10 Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ b 17

Hình 1.11 Mô hình điều khiển với Kgh 18

Hình 1.12 Xác định hệ số khuếch đại tới hạn 19

Hình 1.13 Tản nhiệt 20

Hình 1.14 Tản nhiệt 2 21

Hình 1.15 Tản nhiệt 3 21

Hình 1.16 Đối lưu nhiệt trong thùng chứa 22

Hình 1.17 Keo tản nhiệt 22

Hình 1.18 Tác dụng của keo tản nhiệt làm mát CPU 23

Hình 1.19 Tác dụng keo tản nhiệt cho làm mát 24

Hình 2.1 Sơ đồ khối thiết bị 25

Hình 2.2 Vi điều khiển PIC 18F4550 26

Hình 2.3 USB trong vi điều khiển PIC 18F4550 26

Hình 2.4 Sơ đồ chân vi điều khiển PIC18F4550 28

Hình 2.5 Cấu tạo của Peltier 33

Hình 2.6 Sự truyển tải nhiệt 34

Hình 2.7 Thông số và hình ảnh của Peltier 35

Hình 2.8 Đặc tuyến của peltier cool TEC 12706 36

Hình 2.9 Nhiệt điện trở NTC 37

Hình 2.10 Đồ thị mối quan hệ của R và R0 38

Hình 2.11 IC 7805 38

Hình 2.12 Mosfet IRFZ44N 39

Hình 2.13 Thông số và sơ đồ chân của MOSFET 40

Hình 2.14 Sơ đồ chân của TLP250 40

Hình 2.15 Màn hình khởi động của phần mềm Proteus 41

Hình 2.16 Giao diện chính của phần mềm 42

Hình 2.17 Giao diện khi khởi động của orcad 43

Hình 2.18 Giao diện Capture của Orcad 43

Hình 2.19 Giao diện layout của Orcad 43

Hình 2.20 Chọn PIC Wizard 43

Hình 2.21 Giao diện layout của Orcad 44

Hình 2.22 Chọn PIC Wizard 44

Hình 2.23 Giao diện khởi động của SolidWorks 45

Hình 3.1 Vỏ thiết bị khi chưa có tấm gia nhiệt 46

Hình 3.2 Mô hình thiết bị khi lắp tấm gia nhiệt 47

Hình 3.3 Đáy vỏ 47

Hình 3.7 Bản vẽ chi tiết tấm gia nhiệt bản 2 49

Hình 3.8 Vỏ gỗ thiết bị sưởi ấm dịch truyền 50

Hình 3.9 Tấm gia nhiệt bằng nhôm 50

Hình 3.10 Sản phẩm thiết bị sưởi ấm dịch truyền 51

Hình 3.11 Mạch nguyên lý khối nguồn 51

Hình 3.12 Mạch nguyên lý khối cảm biến 52

Hình 3.13 Mạch nguyên lý khối công suất và khối gia nhiệt 53

Hình 3.14 Mạch nguyên lý khối vi điều khiển 55

Hình 3.15 Mạch nguyên lý tổng thể 56

Hình 3.16 Sơ đồ gia công khối mạch 57

Hình 3.17 Mạch in thiết kên trên Orcad 58

Hình 3.18 Mạch được thi công thực tế 58

Hình 3.19 Lưu đồ chương trình PID 59

Hình 3.20 Đồ thị quá trình xác lập điều khiển PID 60

Hình 4.1 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp =1 62

Hình 4.2 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp=2 63

Hình 4.3 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp=3 63

Hình 4.4 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp= 4 64

Hình 4.5 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp= 5 64

Hình 4.6 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp =6 65

Hình 4.7 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp=7 65

Hình 4.8 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp=8 66

Hình 4.9 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp=9 66

Hình 4.10 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp=10 67

Hình 4.11 Biểu đồ so sánh Kp dựa trên độ vọt lố và thời gian xác lập 67

Hình 4.12 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.1 68

Hình 4.13 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.2 68

Hình 4.14 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.3 69

Hình 4.15 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.4 69

Hình 4.16 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.5 70

Hình 4.17 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.6 70

Hình 4.18 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với Kd=1 71

Hình 4.19 Biểu đồ so sánh hệ số Kd dựa trên độ vọt lố và thời gian xác lập 71 Hình 4.20 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Ki= 0.1 72

Hình 4.21 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Ki= 0.2 72

Hình 4.22 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Ki= 0.1 73

Hình 4.23 Nhiệt độ dịch truyền ra với nhiệt độ tấm gia nhiệt 370C 74

Hình 4.24 Nhiệt độ dịch truyền ra với nhiệt độ tấm gia nhiệt 380C 74

Hình 4.25 Nhiệt độ dịch truyền ra với nhiệt độ tấm gia nhiệt 390C 75

Hình 4.26 Nhiệt độ dịch truyền ra với nhiệt độ tấm gia nhiệt 400C 75

Hình 4.27 Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và tốc độ truyền 76

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1 Thông số của thiết bị sưởi ấm dịch truyền 5

Bảng 2 So sánh hai phương án 6

Bảng 3 Tính toán thông số cho bộ điều khiển PID 17

Bảng 4 Xác định thông số bộ điều khiển PID dựa vào thực nghiệm 19

Bảng 5 Bảng mô tả chức năng từng chân của vi điều khiển 28

Bảng 6 Bảng sự thật của TLP 250 40

Bảng 7 Bảng căn chỉnh hệ số 61

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Khoa học kỹ thuật hiện đại ngày càng phát triển và có những đóng góp

to lớn vào sự thay đổi và tiến bộ của toàn xã hội Không nằm ngoài quỹ đạo

đó, kỹ thuật y học hiện đại cũng được khoa học công nghệ hỗ trợ và mang tới nhiều bước tiến mới có ý nghĩa to lớn giúp chẩn đoán và điều trị bệnh ngày càng chính xác hơn và hiệu quả hơn Tại các bệnh viện của Việt Nam hiện nay đã có rất nhiều các máy móc thiết bị y tế hiện đại cũng đang được khai thác và sử dụng hiệu quả Tuy nhiên hầu hết các thiết bị này đều được nhập khẩu với giá thành cao Vì vậy vấn đề thiết kế chế tạo các thiết bị y tế mang thương hiệu Việt Nam trở thành vấn đề mang tính định hướng cao cho hướng phát triển mới của ngành Kỹ thuật y sinh Việt Nam

Trên thực tế hàng ngày, hàng giờ do những nguyên nhân khác nhau như bệnh lý, chấn thương, phẫu thuật,… có hàng nghìn nguời cần được truyền dịch và truyền máu Tuy nhiên, dịch truyền và máu truyền thường được lưu trữ theo các tiêu chuẩn nghiêm ngặt (thường bảo quản ở nhiệt độ thấp) Nếu các dịch truyền có nhiệt độ thấp được truyền với thể tích lớn cho bệnh nhân sẽ

dễ gây ra các hiện tượng sốc, hạ thân nhiệt có nguy cơ dẫn tới tử vong Vì vậy, với các ca truyền dịch thông thường vào mùa đông hoặc các ca truyền dịch và truyền máu trong hồi sức cấp cứu thường sử dụng thiết bị sưởi ấm dịch truyền để phòng tránh những nguy cơ đáng tiếc có thể xảy ra Hiện tại, ở các bệnh viện của Việt Nam, các thiết bị sưởi ấm máu và dịch truyền chủ yếu được nhập khẩu từ nước ngoài với giá thành tương đối cao Trong khi bằng

2 Mục đích nghiên cứu của luận văn

Luận văn này tập trung nghiên cứu và chế tạo một sản phẩm thực tế có

tên là: “Thiết bị sưởi ấm dịch truyền” - đáp ứng đầy đủ các chức năng cần

thiết của tiêu chuẩn truyền dịch và máu trong y tế Cụ thể các yêu cầu đối với

thiết bị hoàn thiện như sau:

a Yêu cầu chức năng

- Thiết bị có thể sưởi ấm được dịch truyền với nhiệt độ đầu vào trong khoảng 2-> 6 0C (nhiệt độ bảo quản dịch truyền trong y tế) và nhiệt độ dịch truyền đầu ra trước khi vào cơ thể bệnh nhân ở khoảng nhiệt độ cho phép, khoảng 370C

b Yêu cầu phi chức năng

- Thiết bị chạy ổn định, độ bền cao, an toàn cho người dùng tiết kiệm năng lượng

- Kiểu dáng nhỏ gọn, chắc chắn, thao tác dễ dàng trong một thời gian ngắn trong trường hợp khẩn cấp

- Chi phí sản xuất thấp

3 Các phương án thực hiện

Trên thực tế, dịch truyền trước khi được truyền vào cơ thể bệnh nhân sẽ được truyền nhiệt bằng thiết bị sưởi ấm tại vị trí một đoạn dây truyền được chế tạo bằng nhựa dẻo (PVC or EVA) dùng trong y tế Do vật liệu chế tạo bịch đựng máu hay dịch truyền và dây truyền không thể thay đổi được, loại vật liệu bằng nhựa này dễ mất nhiệt vào môi trường nên phương án gia nhiệt cho một vật liệu khác rồi truyền nhiệt gián tiếp vào máu và dịch truyền là phương án thường được sử dụng

a Phương án 1

Phương án này sử dụng một khối kim loại hình trụ Khối kim loại này sau khi được gia nhiệt sẽ quấn nhiều vòng dây truyền dịch lên khối kim loại

để truyền nhiệt gián tiếp vào dung dịch truyền hoặc máu

Hình 1 Mô hình máy sưởi ấm dịch truyền

Mô tả:

Nhiệt độ đặt trong khoảng 37 - 420 C

Có 13 rãnh có thể cho 1 hoặc 2 túi dịch truyền lắp đồng thời

Sử dụng 3 cảm biến hoạt động độc lập cho độ an toàn thiết bị cao

Cảnh báo ở nhiệt độ quá mức cao và thấp

Đèn led hiển thị nhiệt độ có kích thước lớn, dễ quan sát từ xa

Sử dụng ống cách nhiệt từ thiết bị tới bệnh nhân, giúp hạn chế thất thoát nhiệt

từ tấm gia nhiệt vào thành ngoài của ống truyền

Hình 3 Thiết bị sưởi ấm dịch truyền tốc độ thấp

Các thông số của thiết bị:

Bảng 1 Thông số của thiết bị sưởi ấm dịch truyền

Nhiệt độ hoạt động 320C - 410C

Tốc độ truyền 1-12ml/phút

Kích thước – Trọng lượng 176 (L) x 65 (W) x 36 (H) mm; 560g

Ưu điểm của thiết bị:

 Điều chỉnh tự động: nhiệt độ ấm lên tấm điều chỉnh theo nhiệt độ mong muốn của dịch truyền

 Thất thoát nhiệt ít sau khi làm ấm kích thước ống nhỏ

 Thiết lập nhanh chóng: ống dịch truyền được lắp trực tiếp vào tấm gia nhiệt, có thể sử dụng nhiều lần (chỉ cần thay bộ ống dịch truyền)

 Nhanh chóng khởi động: sẵn sàng sử dụng khi 2-3 phút khi khởi động máy

 Hiệu suất an toàn: bảo vệ quá nóng, điện giật và ô nhiễm

Thiết bị nhỏ gọn dễ sử dụng, dễ di chuyển và lắp đặt trong phòng bệnh

Đồ thị trên biểu diễn nhiệt độ của dịch truyền tại đầu ra của thiết bị sưởi

ấm Nhiệt độ phòng là 200 C Ta thấy nhiệt độ của dịch truyền giảm xuống khi tốc độ dịch truyền tăng lên Nhưng với tốc độ truyền thấp vẫn đảm bảo cho nhiệt độ đầu ra thuộc giới hạn cho phép

Nhược điểm:

Với tốc độ truyền cao thì nhiệt độ đầu ra dịch truyền thấp

b Lựa chọn phương án thực hiện

Bảng 2 So sánh hai phương án

Ưu điểm - - Tốc độ gia nhiệt nhanh, ổn

định do tổng diện tích dây tiếp xúc với bộ phận gia nhiệt lớn

- - An toàn, dễ sử dụng

- - Gọn nhẹ, tính cơ động cao

-

- - An toàn, dễ sử dụng Nhược điểm - Thiết bị nặng, cồng kềnh - - Tốc độ gia nhiệt lâu

hơn

- - Với tốc độ cao thì nhiệt độ dịch truyền đầu ra thấp

Với những ưu điểm của phương án 2 so với phương án 1, luận văn đã lựa chọn phương án này để thực hiện nghiên cứu và chế tạo một thiết bị sưởi

ấm dịch truyền có tính năng và thông số tương tự thiết bị đã nghiên cứu trong phương án

- Đối tượng nghiên cứu: nghiên cứu thiết kế thiết bị sưởi ấm dịch truyền

sử dụng thuật toán PID để điều khiển nhiệt độ đầu ra của dịch truyền dựa trên một số tiêu chuẩn an toàn trong lĩnh vực y tế, đáp ứng được yêu cầu chức

năng của thiết bị Ngoài ra, thiết bị sử dụng vi điều khiển PIC 18F4550 và ứng dụng Peltier Cooler để gia nhiệt mang lại hiệu quả và tuổi thọ cao

- Phạm vi nghiên cứu: Thiết bị được nghiên cứu, thiết kế chế tạo trong phạm vi lab BKAT công ty TNHH Công nghệ ứng dụng Bách Khoa Hướng tới việc xin giấy phép để thử nghiệm thiết bị trong lâm sàng và thực hiện các thủ tục đăng ký để cho phép lưu hành thiết bị trong thực tế khám chữa bệnh ở Việt Nam

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương này trình bày về lý thuyết thuật toán điều khiển PID, phương pháp xác định các tham số, cơ sở lý thuyết về phương pháp truyền nhiệt khô

và các tiêu chuẩn y tế về truyền máu

1.1 Thuật toán điều khiển PID

1.1.1 Giới thiệu về bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID là một bộ điều khiển vòng kín được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực điện tử Sử dụng bộ điều khiển PID để điều chỉnh sai lệch giữa giá trị đo được của hệ thống (process variable) với giá trị đặt (setpoint) bằng cách tính toán và điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra

Sơ đồ một hệ thống điều khiển dùng PID

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển PID

Một bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: P (proportional) - tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với sai lệch (error - e), I (integral) - tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích phân theo thời gian của sai lệch, và D (derivative) - tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với vi phân theo thời gian của sai lệch

Sơ đồ khối của khâu P được chỉ ra trong hình 1.2

Hàm truyền: G s p( ) K P (Phương trình 0.2)

Hình 1.2 Sơ đồ khối khâu P

Nếu chỉ có khâu P thì trong mọi trường hợp sai số tĩnh luôn xuất hiện, trừ khi giá trị đầu vào của hệ thống bằng 0 hoặc đã bằng với giá trị mong muốn Trong hình sau thể hiện sai số tĩnh xuất hiện khi thay đổi giá trị đặt

Nếu giá trị khâu P quá lớn sẽ làm cho hệ thống mất ổn định

1.1.3 Khâu I

Khâu I cộng thêm tổng các sai số trước đó vào giá trị điều khiển Việc tính tổng các sai số được thực hiện liên tục cho đến khi giá trị đạt được bằng với giá trị đặt, và kết quả là khi hệ cân bằng thì sai số bằng 0

Khâu I được tính theo công thức:

G s

   (Phương trình 0.4) Khâu I thường đi kèm với khâu P, hợp thành bộ điều khiển PI Nếu chỉ

sử dụng khâu I thì đáp ứng của hệ thống sẽ chậm và thường bị dao động

Hình 1.4 sau chỉ ra sự khác biệt giữa khâu I và PI

Ta có thể nhận thấy là khâu I làm cho đáp ứng của hệ thống bị chậm đi rất nhiều, còn khâu PI giúp triệt tiêu sai số xác lập

1.1.4 Khâu D

Khâu D cộng thêm tốc độ thay đổi sai số vào giá trị điều khiển ở ngõ ra Nếu sai số thay đổi nhanh thì sẽ tạo ra thành phần cộng thêm vào giá trị điều khiển Điều này cải thiện đáp ứng của hệ thống, giúp trạng thái của hệ thống thay đổi nhanh chóng và mau chóng đạt được giá trị mong muốn

Khâu D được tính theo công thức:

bộ PID

Hình 1.5 Đáp ứng khâu D và PD

Theo hình trên, bộ PD tạo đáp ứng có thời gian tăng trưởng nhỏ hơn so với bộ P Nếu giá trị D quá lớn sẽ làm cho hệ thống không ổn định

1.1.5 Tổng hợp 3 khâu - Bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID là cấu trúc ghép song song giữa 3 khâu P, I và D Phương trình vi phân của bộ PID lý tưởng:

( ) ( ) P ( ) I ( ) D de t

u t K e t K e t dt K

dt

Sơ đồ khối hệ thống được chỉ ra trong hình 1.6

Hình 1.6 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID

1.1.6 Rời rạc hóa bộ điều khiển PID

Đáp ứng của bộ PID được chỉ ra trong hình 1.7

Hình 1.7 Đáp ứng bộ PID

Bộ điều khiển số không thể lấy mẫu liên tục theo thời gian, nó cần được rời rạc ở một vài mức Khi cho hệ số lấy mẫu ngắn bên trong thời gian vi phân có thể đạt được xấp xỉ một sai phân có giới hạn và tích phân qua việc lấy tổng Chúng ta sẽ quan tâm mỗi dạng ở một thời điểm, và sai số được tính ở mỗi khoảng lấy mẫu:

( ) ( ) ( )

e n  X n Y n (Phương trình 0.8)

Bộ PID rời rạc đọc sai số, tính toán và xuất ngõ ra điều khiển theo một khoảng thời gian xác định (không liên tục) - thời gian lấy mẫu T Thời gian lấy mẫu cần nhỏ hơn đơn vị thời gian của hệ thống

Không giống các thuật toán điều khiển đơn giản khác, bộ điều khiển PID có khả năng xuất tín hiệu ngõ ra dựa trên giá trị trước đó của sai số cũng như tốc độ thay đổi sai số Điều này giúp cho quá trình điều khiển chính xác

Hình 1.8 Sơ đồ khối PID

Kết quả thu được:

K T K

T

D

K T K

T



1.2 Thiết kế bộ điều khiển PID

Luật điều khiển thường được chọn trên cơ sở đã xác định được mô hình toán học của đối tượng phải phù hợp với đối tượng cũng như thỏa mãn yêu

cầu của bài toán thiết kế

Trong trường hợp không thể xác định được mô hình toán học của đối tượng, có thể tìm luật điều khiển cũng như các tham số của bộ điều khiển thông qua thực nghiệm Ziegler và Nichols đã đưa ra phương pháp xác định thông số tối ưu của bộ PID là dựa trên đồ thị hàm quá độ của đối tượng hoặc dựa trên các giá trị tới hạn thu được qua thực nghiệm

1.2.1 Sử dụng hàm quá độ của đối tượng (Ziegler - Nichols 1)

Phương pháp này còn có tên là phương pháp thứ nhất của Ziegler - Nichols Nó có nhiệm vụ xác định các thông số Kp , TN , TV cho các bộ điều khiển P, PI và PID trên cơ sở đối tượng có thể mô tả xấp xỉ bởi hàm truyền đạt dạng:

 maxmax h 40

h( ) lim ( )

- Gọi A là điểm kết thúc khoảng thời gian trễ, tức là điểm trên trục hoành

có hoành độ bằng Tt Khi đó T là khoảng cần thiết sau Tt để tiếp tuyến của h(t) tại A đạt được giá trị K

Trường hợp hàm quá độ h(t) không có dạng lý tưởng như ở hình 1.9, nhưng có dạng gần giống như hình chữ S của khâu quán tính bậc 2 hoặc bậc n như mô tả ở hình 1.10 thì ba tham số K, Tt, T được xác định xấp xỉ như sau :

- K là giá trị giới hạn h(  )

Hình 1.9 Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ a

Hình 1.10 Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ b

Kẻ đường tiếp tuyến của h(t) tại điểm uốn của nó Khi đó Tt sẽ là hoành

độ giao điểm của tiếp tuyến với trục hoành và T là khoảng thời gian cần thiết

để đường tiếp tuyến đi được từ giá trị 0 tới được giá trị K

Như vậy ta thấy điều kiện để áp dụng được phương pháp xấp xỉ mô hình bậc nhất có trễ của đối tượng là đối tượng phải ổn định, không có dao động và ít nhất hàm quá độ của nó phải có dạng chữ S Sau khi đã có các tham số cho mô hình xấp xỉ của đối tượng, ta chọn các thông số của bộ điều khiển theo bảng sau:

Bảng 3 Tính toán thông số cho bộ điều khiển PID

P

tT K

T

.

Từ đó suy ra:

Hệ số tích phân:

P I

N

K K

1.2.2 Sử dụng các giá trị tới hạn từ thực nghiệm (Ziegler-Nichols 2)

Trong trường hợp không thể xây dựng phương pháp mô hình cho đối tượng thì phương pháp thiết kế thích hợp là phương pháp thực nghiệm Thực nghiệm chỉ có thể tiến hành nếu hệ thống đảm bảo điều kiện: khi đưa trạng thái làm việc của hệ đến biên giới ổn định thì mọi giá trị của tín hiệu trong hệ thống điều phải nằm trong giới hạn cho phép

Phương pháp này còn có tên là phương pháp thứ hai của Ziegler – Nichols Điều đặc biệt là phương pháp này không sử dụng mô hình toán học của đối tượng điều khiển, ngay cả mô hình xấp xỉ gần đúng

Hình 1.11 Mô hình điều khiển với K gh

Hình 1.12 Xác định hệ số khuếch đại tới hạn

Các bước tiến hành như sau:

- Trước tiên, sử dụng bộ P lắp vào hệ kín (hoặc dùng bộ PID và chỉnh các thành phần KI và KD về giá trị 0) Khởi động quá trình với hệ số khuếch đại KP thấp, sau đó tăng dần KP tới giá trị tới hạn Kgh để hệ kín ở chế độ giới hạn ổn định, tức là tín hiệu ra h(t) có dạng dao động điều hòa Xác định chu

kỳ tới hạn Tgh của dao động

- Xác định thông số của bộ điều khiển theo bảng sau :

Bảng 4 Xác định thông số bộ điều khiển PID dựa vào thực nghiệm

Bảng 2: Thông số bộ điều khiển theo thực nghiệm

1.3 Sơ lược về vấn đề truyền nhiệt

1.3.1 Vấn đề truyền nhiệt

nhiều vật tham gia quá trình trao đổi nhiệt cho đến khi đạt được cùng một nhiệt độ chung

Trao đổi nhiệt được thực hiện qua 3 hình thức: dẫn nhiệt, đối lưu và bức

xạ nhiệt

Dẫn nhiệt (hay tán xạ nhiệt) là sự truyền động năng giữa các nguyên tử hay phân tử lân cận mà không kèm theo sự trao đổi phần tử vật chất Hình thức trao đổi nhiệt luôn diễn ra từ vùng có mức năng lượng cao hơn (với nhiệt

độ cao hơn) đến vùng có mức năng lượng thấp hơn (với nhiệt độ thấp hơn)

Sự truyền nhiệt trong kim loại thông qua sự chuyển động của các electron cũng là sự dẫn nhiệt

Hình 1.13 Tản nhiệt

Hình 1.14 Tản nhiệt 2

Hình 1.15 Tản nhiệt 3

Đối lưu nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện nhờ sự chuyển động của chất lỏng hay chất khí giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau hoặc sự truyền nhiệt từ một hệ rắn sang một hệ lỏng (hoặc khí) và ngược lại Người ta phân biệt giữa đối lưu tự nhiên (dòng vật chất chuyển động nhờ nội năng

Bức xạ nhiệt là sự trao đổi nhiệt thông qua sóng điện từ Bức xạ nhiệt

có thể truyền qua mọi loại vật chất cũng như qua chân không Tất cả các vật thể có nhiệt độ lớn hơn độ không tuyệt đối (0 Kelvin) đều bức xạ nhiệt Trong bức xạ nhiệt, dòng nhiệt không chỉ truyền từ nơi nóng sang nơi lạnh mà còn theo chiều ngược lại Tuy nhiên, vì dòng nhiệt từ nóng sang lạnh luôn luôn lớn hơn dòng từ lạnh sang nóng nên dòng nhiệt tổng hợp luôn theo chiều từ nóng sang lạnh Hiểu theo một cách khác, sự chênh lệch nhiệt độ luôn nhỏ đi Trong bức xạ nhiệt, dòng nhiệt được tính thông qua định luật Stefan-Boltzmann

Hình 1.16 Đối lưu nhiệt trong thùng chứa

Hình 1.17 Keo tản nhiệt

1.3.2 Tác dụng của keo tản nhiệt

Keo tản nhiệt được sử dụng giữa các bề mặt tiếp xúc (thường là phẳng)

Về lý thuyết, nếu như bề mặt của tấm thứ nhất (tỏa nhiệt) và tấm thứ hai (hấp thụ nhiệt) hoàn toàn nhẵn, thì khi tiếp xúc với nhau, toàn bộ nhiệt từ tấm thứ nhất sẽ được truyền sang tấm thứ hai Tuy nhiên, trên thực tế, không thể sản xuất ra những linh kiện lý tưởng như vậy, giữa hai bề mặt tiếp xúc luôn tồn tại một khe hở, mô tả như hình với ví dụ CPU là tấm tỏa nhiệt

Hình 1.18 Tác dụng của keo tản nhiệt làm mát CPU

Phần màu trắng thể hiện vùng không khí tồn tại giữa hai bề mặt tiếp xúc, và không khí thì dẫn nhiệt rất kém Vì vậy mà keo dẫn nhiệt ra đời để lấp đầy chỗ trống đó và làm công việc dẫn nhiệt từ các loại chip sang bộ tản nhiệt Keo dẫn nhiệt tuy không thể bằng được kim loại nhưng ít nhất nó cũng

tốt hơn khoảng 100 lần không khí

Hình 1.19 Tác dụng keo tản nhiệt cho làm mát

Keo tản nhiệt có 3 loại (gồm silicon -> gốm/sứ -> kim loại và chất lượng theo chiều mũi tên từ trái qua phải)

1.4 Thiết bị, dụng cụ và một số tiêu chuẩn y tế

1.4.1 Dây truyền dịch

- Vật liệu chế tạo bộ dây truyền dịch thường bằng nhựa dẻo như PVC - EVA (ethylen vinyl axetat) và kim loại không gỉ

- Đường kính dây truyền, thường sử dụng 2 loại 4mm và 5mm Trong

đề tài này, sử dụng dây truyền có đường kính 4mm

- Chiều dài dây truyền 155 cm

1.4.2 Chai dịch truyền/túi dịch truyền

- Tùy theo từng loại được sử dụng ở mỗi cơ sở y tế

1.4.3 Cách tính tốc độ truyền

Tổng số dịch truyền x giọt/ml

Tổng số phút = giọt /phút

1ml = 20 giọt

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ TỔNG THỂ

Trong chương 3 này sẽ đưa ra sơ đồ khối, giới thiệu về cấu tạo, chức năng của các linh kiện sử dụng trong thiết bị, giới thiệu về các phần mềm hỗ trợ

2.1 Sơ đồ khối

2.1.1 Sơ đồ khối

Hình 2.1 Sơ đồ khối thiết bị

2.1.2 Chức năng từng khối

 Khối nguồn: Cấp nguồn cho khối điều khiển và khối gia nhiệt

 Khối cảm biến: Lấy nhiệt độ hiện tại của tấm nhôm

 Khối gia nhiệt: Gia nhiệt cho tấm nhôm

 Khối điều khiển: Lấy nhiệt độ đầu vào từ khối cảm biến và điều chỉnh mức độ gia nhiệt của khối gia nhiệt

Khối nguồn

Khối cảm biến

Khối gia nhiệt Khối điều khiển

2.2 Giới thiệu các linh kiện và thiết bị

2.2.1 Kiến trúc vi điều khiển PIC 18F4550

2.2.1.1 Giới thiệu

Hình 2.2 Vi điều khiển PIC 18F4550

PIC18F4550 là một vi xử lý cơ bản đa chức năng và giá thành rẻ Nó là sản phẩm của họ vi xử lý PIC thông dụng của công ty Microchip của Mỹ có trụ sở đặt tại Chandle Arizona (Mỹ)

Điểm riêng biệt của vi xử lý này là nó là một trong PIC hỗ trợ giao tiếp USB, theo cả 2 chuẩn USB low speed và full speed cho phép giao tiếp giữa

PC và vi điều khiển mà không cần mạch kéo hay bất cứ mạch gắn ngoài nào

Giao tiếp USB:

Hình 2.3 USB trong vi điều khiển PIC 18F4550

PIC hỗ trợ tinh thể và dao động ký nhiều tần số như đầu vào và bộ cân bằng nên bộ xử lý có thể hoạt động với tần số 48MHz của dao động kí độc lập khi kết nối Khi kết thúc hoạt động thì chỉnh dao động kí được kết nối(thông qua các bít cấu hình) Làm việc với tốc độ 48MHz là điều kiện tiên quyết để chuyển sang chế độ full speed nhờ cổng USB Vì vậy, driver USB chuyển sang chế độ full speed qua USB và tương thích với chuẩn USB2.0

Với bộ nhớ, có 32kb Flash lưu trữ chương trình, 2kb bộ nhớ SRAM bay hơi và 256 byte EEPROM (bộ nhớ không bay hơi) để lưu trữ dài hạn dữ liệu như cấu hình…

Các chỉ thị dài 1 byte với một số ngoại lệ dài 2 byte (CALL, MOVFF, GOTO LSFR) sử dụng cơ chế đường ống để thực thi mã bằng việc khiến các chỉ thị liên tiếp hoạt động trong 4 xung (độ dài xung) và có 4 lần nhảy xung được thêm vào

Các đặc tính đáng chú ý khác là có đồng hồ, ngắt (đồng hồ gắn trong và gắn ngoài) với hai mức ưu tiên và dùng cả hai mức như bộ so sánh tương tự kèm theo với bộ phát điện thế chuẩn có 16 mức (hữu ích khi dùng trigger ở mức phần cứng)

Cuối cùng, CIP cũng có một bộ chuyển đổi tương tự 10 bit nhưng dao động ký không đủ yêu cầu về tốc độ cao cần thiết Vì vậy, máy phát dao động

có tốc độ 48 MHz giữa thời gian trễ do truyền tải và các ngắt khác (vòng lặp

…) không thể đạt được tốc độ lớn hơn 200 kHz