Thiết kế bộ gia nhiệt bảo quản hóa chất trong các thiết bị xét nghiệm ứng dụng công nghệ hiệu ứng nhiệt điện Thiết kế bộ gia nhiệt bảo quản hóa chất trong các thiết bị xét nghiệm ứng dụng công nghệ hiệu ứng nhiệt điện luận văn tốt nghiệp thạc sĩ
TỔNG QUAN VIỆC BẢO QUẢN HÓA CHẤT TRONG Y TẾ
Tổng quan việc bảo quản hóa chất trong y tế
Hóa chất trong y tế rất đa dạng và đóng vai trò quan trọng trong bệnh viện, từ việc phòng và chữa bệnh đến xét nghiệm, bảo quản mẫu, sát trùng và tẩy uế Chúng có thể được phân loại thành ba nhóm chính: hóa chất xét nghiệm, hóa chất điều trị và hóa chất sát trùng, tẩy uế Tất cả các loại hóa chất này đều có những đặc điểm chung quan trọng.
Chất lượng và thời hạn sử dụng của hóa chất chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, không khí, nấm mốc và vi khuẩn Trong số đó, nhiệt độ là yếu tố ảnh hưởng rõ rệt nhất Nhiệt độ cao có thể làm mất nước kết tinh của một số hóa chất và làm bốc hơi các hóa chất lỏng dễ bay hơi Do đó, việc duy trì hóa chất ở nhiệt độ thấp là cần thiết để đảm bảo hiệu quả tối ưu của chúng.
- Các hóa chất thường là những hoạt chất có hoạt tính mạnh
- Dễ xảy ra các phản ứng hoá học nguy hiểm
- Có một số hoá chất dễ cháy nổ khi va chạm, cũng như khi gặp lửa, gặp ẩm
Một số hóa chất dễ bay hơi rất độc hại, có khả năng ăn mòn kim loại và gây hại cho thuốc cũng như bao bì xung quanh Khi nồng độ hơi của những hóa chất này đạt đến mức nhất định, chúng có thể gây ra cháy nổ.
Việc sử dụng hóa chất y tế đòi hỏi tuân thủ nghiêm ngặt các nguyên tắc bảo quản, dựa trên những đặc điểm riêng của từng loại hóa chất.
- Tuân thủ chặt chẽcác quy định an toàn khi nhập và vận chuyển các loại hóa chất
- Thường xuyên kiểm tra các điều kiện đảm bảo chất lượng của các loại hóa chất như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất,…
- Làm tốt công tác vệsinh đểđảm bảo môi trường không khí theo đúng yêu cầu
- Các loại hóa chất phải có đủnhãn mác theo quy định
- Kiểm tra loại bỏ các hóa chất đã hết hạn sử dụng, không đảm bảo các điều kiện bảo quản và bị rò rỉtrong quá trình lưu trữ
1.1.1 Nhóm hóa ch ất điều trị Đối với nhóm hóa chất này, chủ yếu là các loại thuốc điều trị, các loại hóa chất đểđiều trịung thư Trong đó, chủ yếu là các chất phóng xạdùng để tiêu diệt tế bào ung thư, chúng có thể được dùng để chiếu từ bên ngoài hoặc uống, tiêm vào trong cơ thể Các loại hóa chất phóng xạthường được bảo quản trong các bình chứa làm bằng các vật liệu không bị ăn mòn cũng như không để lọt các tia xạ ra ngoài
Một số loại hóa chất phóng xạ điển hình như Co 60 , I 131 ,… được bảo quản trong các bình hợp kim nhôm bọc chì
1.1.2 Nhóm hóa ch ất sát trùng, tẩy uế
Trong lĩnh vực y tế, hóa chất sát trùng và tẩy uế đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn ngừa nhiễm trùng cho bệnh nhân và hạn chế sự lây lan của các bệnh truyền nhiễm Để đảm bảo hiệu quả, các loại thuốc sát trùng cần được sử dụng cho các vết thương, trong khi hóa chất tẩy uế giúp tiêu diệt mầm bệnh Việc bảo quản các hóa chất này cũng rất quan trọng, cần để ở nơi khô ráo, thoáng mát, ở nhiệt độ phòng và tránh ánh nắng trực tiếp.
1.1.3 Nhóm hóa ch ất xét nghiệm
Hóa chất xét nghiệm, hay còn gọi là hóa chất sinh phẩm, là thành phần thiết yếu trong các xét nghiệm y tế Chất lượng của hóa chất ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả xét nghiệm, do đó, việc bảo quản hóa chất đúng cách là rất quan trọng Nếu không được bảo quản tốt, hóa chất có thể dẫn đến kết quả sai lệch, ảnh hưởng nghiêm trọng đến chẩn đoán và điều trị của bác sĩ Các loại hóa chất xét nghiệm cần được bảo quản ở nhiệt độ thích hợp để đảm bảo hiệu quả sử dụng.
2 0 C đến 15 0 C, với nhiệt độ chuẩn là 8 0 C, ngoại trừ các loại hóa chất đặc biệt cho
QC (Quanlity control), C (Calibrati) phải bảo quản ở nhiệt độ âm sâu từ – 25 0 C đến – 30 0 C Việc bảo quản nhóm này như sau:
- Trong trường hợp bảo quản hóa chất bên ngoài (chưa sử dụng cho xét nghiệm):
Để bảo quản hóa chất hiệu quả, nên sử dụng tủ lạnh chuyên dụng với nhiệt độ từ 0°C đến 15°C, trang bị hệ thống quạt đối lưu giúp duy trì nhiệt độ ổn định trong các khoang chứa Nhiệt độ lý tưởng được thiết lập ở mức 8°C.
+ Sử dụng tủ lạnh dân dụng nhiệt độ từ 0°C đến 15°C thông thường không có quạt đối lưu.
+ Sử dụng tủ lạnh âm sâu - 25°C đến - 30°C để bảo quản các hóa chất cho chuẩn máy (QC), và control máy, các mẫu cần lưu trữ bảo quản lâu ngày
Trong lĩnh vực xét nghiệm như sinh hóa, miễn dịch, sinh học phân tử và giải phẫu bệnh, hóa chất được đóng gói trong các hộp với dung tích khác nhau và được sắp xếp theo quy định trong khay hóa chất của máy, với nhiệt độ duy trì từ 2°C đến 15°C (chuẩn là 8°C) Hệ thống làm lạnh sử dụng nguyên lý máy nén, với khí gas hoạt động như một tủ lạnh mini có dung tích khoảng 15 đến 20 lít Gần đây, công nghệ bảo quản hóa chất đã được cải tiến nhờ vào hiệu ứng nhiệt điện và tấm pin Peltier, thay thế cho hệ thống làm lạnh bằng khí gas, giúp tăng tuổi thọ, ổn định nhiệt độ và giảm độ ồn Những cải tiến này đã được áp dụng trong các thế hệ máy xét nghiệm sinh hóa mới như AU 400, AU 640 (Olympus), AU 2700 (Beckman Counter), máy xét nghiệm đông máu, hệ thống xét nghiệm PCR và hệ thống đúc tiêu bản.
Các hóa chất trong thiết bị xét nghiệm sinh hóa rất đa dạng và phong phú, nhưng có thể được phân loại thành ba nhóm chính: hóa chất xét nghiệm huyết học, hóa chất xét nghiệm sinh hóa và hóa chất xét nghiệm miễn dịch.
1.1.3.1 Hóa chất xét nghiệm huyết học
Các loại hóa chất xét nghiệm huyết học cần được bảo quản ở nhiệt độ từ 25°C đến 30°C Hạn sử dụng tối đa của chúng là từ 8 tháng đến 12 tháng kể từ ngày sản xuất nếu chưa mở nắp, và ổn định trong 60 ngày sau khi đã mở nắp.
- Hóa chất pha loãng: dùng để pha loãng trong phân tích huyết học
- Hóa chất ly giải: dùng để ly giải trong phân tích huyết học
- Hóa chất rửa: dùng để rửa và bảo quản thiết bị
1.1.3.2 Hóa chất xét nghiệm miễn dịch
Các hóa chất xét nghiệm miễn dịch bao gồm các loại hóa chất cần thiết để kiểm tra các chỉ số miễn dịch như Free T3, T4, HIV, HbsAg, HCG, FSH, TSH, và Insulin Những hóa chất này cũng yêu cầu bảo quản tương tự như nhóm hóa chất xét nghiệm huyết học.
1.1.3.3 Hóa chất xét nghiệm sinh hóa
Tính năng của một số hóa chất tiêu biểu dùng trong xét nghiệm sinh hóa được chỉ ra dưới đây:
Albumin (ALB) đóng vai trò quan trọng trong việc xác định nồng độ ALB trong cơ thể, giúp chẩn đoán các bệnh viêm mãn tính, bệnh collagen, cũng như các rối loạn về gan và thận Để sử dụng hóa chất này, huyết tương hoặc huyết thanh sẽ được trộn với dung dịch bromocresol green (BCG), sau đó tiến hành đo độ hấp thụ của phức hợp tạo thành.
Canxi (CAL) đóng vai trò quan trọng trong việc xác định nồng độ canxi trong cơ thể, hỗ trợ chẩn đoán và điều trị các bệnh liên quan đến tuyến giáp, bệnh xương, bệnh thận mãn tính và bệnh uốn ván Để sử dụng hóa chất này, ion canxi sẽ tạo thành phức hợp màu tím với o-cresolphthalein trong môi trường kiềm, sau đó tiến hành đo độ hấp thụ của phức hợp.
Amylase (AMYLA) giúp xác định nồng độ amylase trong cơ thể, hỗ trợ chẩn đoán và theo dõi viêm tuyến tụy cấp tính Để sử dụng hóa chất này, ethylidene blocked p-nitrophenyl-maltoheptaoside được dùng làm chất nền, trong khi enzyme alpha-glucosidase được sử dụng để giải phóng p-nitrophenol, và cuối cùng, độ hấp thụ của phức hợp này được đo.
Các phương pháp làm lạnh bảo quản hóa chất
1.2.1 Phương pháp làm lạnh sử dụng máy nén hơi
Phương pháp làm lạnh nén hơi sử dụng máy nén để tuần hoàn môi chất trong hệ thống, trong đó môi chất chuyển đổi trạng thái từ hơi thành lỏng tại dàn nóng và từ lỏng thành hơi tại dàn lạnh.
Môi chất làm lạnh thường dùng trong các máy lạnh nén hơi là NH3 hoặc Freon
1.2.1.1 Nguyên lý của máy lạnh nén hơi
Máy lạnh nén hơi bao gồm các bộ phận chính như máy nén, dàn ngưng tụ, buồng lạnh, van tiết lưu và môi chất làm lạnh Khi được cung cấp năng lượng, máy nén hoạt động hút hơi môi chất từ buồng lạnh với áp suất P1, nén lên áp suất P2 và nhiệt độ T2 Sau đó, hơi môi chất đi vào dàn ngưng tụ, nơi nó ngưng tụ ở áp suất P2 và nhả nhiệt cho không khí hoặc nước làm mát Chất lỏng ngưng tụ qua van tiết lưu giảm áp suất từ P2 xuống P1, chuyển thành hơi ẩm và tiếp tục vào buồng lạnh để nhận nhiệt từ vật cần làm lạnh, biến thành hơi bão hòa và lặp lại chu trình Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy lạnh nén hơi được mô tả trong hình 1.1.
Hình 1.1: Sơ đồ chức năng của phương pháp máy nén khí
1.2.1.2 Cấu tạo, chức năng các thành phần của máy lạnh nén hơi
Dàn ngưng tụ là thiết bị trao đổi nhiệt giữa môi chất lạnh và môi trường làm mát như nước hoặc không khí, có chức năng thải nhiệt ra ngoài Thiết bị này được cấu tạo từ ống thép lớn với nhiều vòng xoắn, và cánh tản nhiệt bằng dây thép có đường kính từ 1,2mm đến 2mm, được hàn đính vào ống thép Môi chất di chuyển từ trên xuống, trong khi không khí đối lưu đi từ dưới lên, thực hiện quá trình trao đổi nhiệt ngược dòng.
Hình 1.2: Cấu tạo dàn ngưng tụ
Buồng lạnh, hay còn gọi là dàn bay hơi, là thiết bị trao đổi nhiệt giữa môi chất lạnh sôi và môi trường cần làm lạnh Thiết bị này thu nhiệt từ môi trường lạnh và cung cấp cho môi chất lạnh sôi ở nhiệt độ thấp Dàn bay hơi có cấu trúc ống cánh, với ống được làm từ đồng hoặc nhôm Các lá nhôm gắn vào ống giúp tăng diện tích tiếp xúc và nâng cao khả năng trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh.
Hình 1.3: Cấu tạo dàn bay hơi
Máy nén có chức năng hút hơi môi chất lạnh từ dàn bay hơi, duy trì áp suất cần thiết cho quá trình bay hơi ở nhiệt độ thấp Nó nén hơi từ áp suất bay hơi lên áp suất ngưng tụ và đẩy vào dàn ngưng.
+ Van ti ết lưu: Có chức năng làm giảm áp suất mà không sinh công khi môi chất chuyển động qua chỗ tiết diện bị giảm đột ngột
Môi chất làm lạnh thường là hơi của các chất lỏng có nhiệt độ sôi thấp ở áp suất bình thường, với hệ số tỏa nhiệt lớn, giá thành rẻ và không độc hại.
Freon, một sản phẩm được tạo ra từ chuỗi hydro cacbon no CnH2n+2, thường được sử dụng trong y tế như một môi chất làm lạnh Quá trình sản xuất Freon bao gồm việc thay thế các nguyên tử hydro bằng các nguyên tử flo (F), clo (Cl) và brôm (Br).
Quá trình tuần hoàn môi chất lạnh trong máy lạnh nén hơi được thể hiện qua bốn giai đoạn chính, như minh họa trong hình 1.4 Các giai đoạn này mô tả cách thức hoạt động của máy lạnh nén hơi trong việc điều hòa không khí.
+ 1-2: quá trình nén đoạn nhiệt trong máy, áp suất tăng từ P1 đến P2
+ 2-3: quá trình ngưng tụ đẳng áp ở áp suất P2=const, nhả lượng nhiệt Q1 cho không khí hay nước làm mát
Quá trình tiết lưu trong van tiết lưu diễn ra khi áp suất giảm từ P2 xuống P1, trong khi đó, quá trình bay hơi ở dàn bay hơi trong buồng lạnh xảy ra với môi chất có nhiệt lượng Q2 tại áp suất P1 không đổi.
Máy lạnh nén hơi có công suất lớn nhưng cũng gặp nhiều hạn chế như tiêu tốn nhiều năng lượng trong quá trình hoạt động, có trọng lượng và kích thước lớn, cấu tạo phức tạp, khó bảo quản do các bộ phận chuyển động, và phát thải khí gây ô nhiễm môi trường cũng như làm hỏng tầng ôzon.
Hình 1.4: Đồ thị biểu diễn các quá trình của một chu trình máy lạnh nén hơi
1.2.2 Phương pháp hiệu ứng nhiệt Peltier
Hiệu ứng Peltier, được phát hiện bởi thợ đồng hồ người Pháp Jean Peltier vào năm 1834, xảy ra khi một mạch kín gồm dây đồng và bismuth được kết nối với nguồn điện, dẫn đến sự chênh lệch nhiệt độ tại các mối nối: một bên nóng và một bên lạnh Phương pháp này đã được ứng dụng trong các thiết bị làm lạnh, mang lại nhiều ưu điểm nổi bật.
- Hoạt động ổn định, tin cậy vì không cần sử dụng máy nén hơi, van tiết lưu,…
- Khởi động nhanh, hiệu quả tức thì, khảnăng làm mát xung quanh tốt
- Có thể tạo ra hiệu nhiệt độ rất lớn, khảnăng kiểm soát nhiệt độ chính xác
- Dễ duy trì, dễ bảo quản do không có các bộ phận chuyển động; vận hành êm
- Có trọng lượng và kích thước nhỏ
- Có thể chuyển từ máy làm lạnh sang máy gia nhiệt bằng cách đảo cực âm và dương của dòng điện một chiều
- Do không dùng gas nên không có khí thải ảnh hưởng đến môi trường, có thể bảo vệmôi trường
- Sử dụng trong nhiều ngành như vũ trụ, công nghiệp đòi hỏi kiểm soát nhiệt độ chính xác
Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về bảo quản hóa chất trong y tế, bao gồm các nhóm hóa chất điều trị, sát trùng, tẩy uế và nhóm hóa chất xét nghiệm Đồng thời, bài viết cũng phân tích hai phương pháp làm lạnh chính trong bảo quản hóa chất, đó là phương pháp làm lạnh bằng máy nén hơi và phương pháp hiệu ứng nhiệt điện Peltier.
PHƯƠNG PHÁP HIỆU ỨNG NHIỆT ĐIỆN SỬ DỤNG
Giới thiệu chung về pin petiler
Vào năm 1821, ông Seebeck đã phát hiện ra hiện tượng nhiệt điện khi kết nối hai sợi dây đồng và sắt, với một mối nối ngâm trong nước đá và mối nối còn lại trong nước sôi Sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối nối này tạo ra suất điện động E, dẫn đến sự dịch chuyển của các điện tử và hình thành dòng điện Sơ đồ mô tả hiệu ứng nhiệt điện được thể hiện trong hình 2.1.
Hình 2.1: Hiệu ứng nhiệt điện
(A, B là các kim loại khác nhau; T1, T2 là nhiệt độ tại các mối nối của hai kim loại;
Nguyên lý của hiệu ứng nhiệt điện được mô tả như sau: Khi T1 bằng T2, không có sự chênh lệch nhiệt độ, kim điện kế G chỉ 0 Ngược lại, khi T1 khác T2, kim điện kế G sẽ lệch khỏi 0 Sự xuất hiện của suất điện động nhiệt điện có thể được giải thích bởi sự khác biệt về mật độ electron giữa hai thanh kim loại khác nhau; trong đó, n1 là mật độ electron của thanh kim loại A và n2 là mật độ của thanh kim loại B.
Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu A và B (n1 > n2), số electron di chuyển từ A sang B sẽ nhiều hơn số electron di chuyển ngược lại Hệ quả là đầu A thiếu electron, dẫn đến tích điện dương, trong khi đầu B thừa electron, tạo ra tích điện âm Hiện tượng này gây ra suất điện động giữa hai thanh kim loại, được gọi là suất điện động nhiệt điện, và dòng điện hình thành trong quá trình này được gọi là dòng nhiệt điện.
Khi hiệu nhiệt độ T1-T2 giữa hai đầu mối hàn không lớn lắm thì suất điện động nhiệt điện tỉ lệ với hiệu nhiệt độ đó theo biểu thức sau :
E= ×( - ) Trong đó : là hệ số nhiệt điện động (phụ thuộc vào vật liệu của các cặp thanh kim loại) [ ]
Một số giá trị của hệ số nhiệt điện động của một số cặp kim loại như sau :
Bảng 2.1 Hệ số nhiệt điện động của kim loại
Hiện tượng nhiệt điện xảy ra khi một mạch điện kín có hai vật dẫn khác nhau được giữ ở hai nhiệt độ khác nhau, dẫn đến sự tạo thành suất điện động Hiệu ứng này là một trong những ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực điện và nhiệt.
2.1.2 Hiệu ứng Peltier (Hiệu ứng nhiệt điện ngược)
Hiệu ứng Peltier, được phát hiện bởi thợ đồng hồ người Pháp Jean Peltier vào năm 1834, xảy ra khi một mạch kín được tạo thành từ dây đồng và bismuth có dòng điện chạy qua Khi đó, một mối nối sẽ nóng lên trong khi mối nối còn lại trở nên lạnh Hệ thống tạo ra hiệu ứng Peltier bao gồm hai thanh dẫn điện khác nhau, dẫn đến hiện tượng một đầu hấp thụ nhiệt và lạnh đi, trong khi đầu còn lại bức xạ nhiệt và nóng lên.
Hình 2.2: Sơ đồ minh họa hiệu ứng Peltier
(1.Các tấm đồng; 2,3.Các thanh dẫn điện có bản chất khác nhau)
Khi dòng điện được đảo chiều, đầu hấp thụ nhiệt sẽ chuyển thành bức xạ nhiệt, trong khi đầu bức xạ nhiệt sẽ trở thành đầu hấp thụ nhiệt.
Sự di chuyển của các điện tử tạo ra chênh lệch nhiệt độ tại các điểm tiếp xúc giữa hai thanh dẫn điện Nhiệt lượng hấp thụ hoặc bức xạ ở mỗi đầu theo hiệu ứng Peltier được tính bằng công thức cụ thể.
Q=П × I Trong đó: - Q là nhiệt lượng hấp thụ hay bức xạ ở mỗi đầu nối [J];
- I là giá trịcường độ dòng điện [A];
- П= α ì T là hệ số Peltier [ àV], trong đú:
- α là hệ số nhiệt điện động [ ]
- T là nhiệt độ tại đầu nối [ °K].
Cơ sở lý thuyết sử dụng tấm pin petiler để thiết kế bộ làm lạnh bảo quản hóa chất xét nghiệm
2.2.1 Nguyên lý hoạt động của pin Peltier a Dòng nhiệt qua các tấm bán dẫn Đối với các tấm bán dẫn loại N được chỉ ra trên hình 2.3 Hai thanh dẫn mạ đồng kết nối vào hai đầu của viên bán dẫn N và kết nối với dòng điện một chiều thì các electron trong bán dẫn N bị đẩy ra xa bởi cực âm và được hút về bởi cực dương của nguồn điện Dòng electron chỉ chạy theo một hướng (theo chiều kim đồng hồ), chạy ngang qua viên bán dẫn N từ dưới lên trên Nhiệt được hấp thụ ở mặt dưới và truyền tích cực đến mặt trên Như vậy, nhiệt đã được bơm hiệu quả bằng các hạt electron ngang qua viên bán dẫn N.
Khi kết nối dòng điện một chiều với tấm bán dẫn loại P, các lỗ trống trong bán dẫn sẽ bị đẩy ra xa bởi cực dương và hút về phía cực âm của nguồn điện Dòng nhiệt sẽ chảy theo hướng của dòng lỗ trống, ngược lại với chiều dòng electron trong bán dẫn.
N Như vậy, nhiệt được bơm theo hướng của các lỗ trống chạy qua viên bán dẫn loại P.
Hình 2.4 : Dòng nhiệt qua bán dẫn P
Dòng nhiệt trong mạch điện chảy theo hướng của các hạt mang điện tích, nhưng để bơm nhiệt lớn, cần kết hợp nhiều viên bán dẫn Mặc dù lý thuyết cho thấy có thể kết nối các viên bán dẫn cùng loại theo cách song song về điện và nhiệt, việc thực hiện trong thực tế gặp nhiều khó khăn Một viên bán dẫn thường chỉ hoạt động với điện áp vài chục mV nhưng lại tiêu thụ dòng điện đáng kể, ví dụ như ít nhất 5A với điện áp cung cấp khoảng.
Khi được kết nối song song trong cấu trúc loại 254 viên, thiết bị sẽ tiêu thụ hơn 1270A với ứng dụng chỉ 60mV, giả sử nguồn cung cấp có khả năng cung cấp điện năng lớn hơn.
Hình 2.5: Kết nối song song về điện và về nhiệt của các viên bán dẫn loại N
Một giải pháp khác là mắc nối tiếp các viên bán dẫn trong khi nhiệt vẫn được tạo ra song song Chúng ta có thể kết nối các viên này theo hình zích zắc để tạo ra mạch nối tiếp Tuy nhiên, các mối liên kết giữa các viên bán dẫn có thể làm giảm nhiệt và ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của thiết bị, dẫn đến việc không thể chế tạo một thiết bị thực tế.
Kết nối nối tiếp về điện và nhiệt giữa các viên bán dẫn loại N tạo ra sự song song hiệu quả Một giải pháp tối ưu hơn là kết hợp các viên bán dẫn loại N và loại P theo từng cặp, như thể hiện trong hình 2.7, nhằm tối ưu hóa hiệu ứng nhiệt điện.
Hình 2.7 minh họa cách kết nối một cặp bán dẫn P và N bằng cách sắp xếp chúng theo từng cặp và liên kết ở cùng một đầu với thanh mạ đồng Đầu tự do của bán dẫn N kết nối với cực âm, trong khi đầu tự do của bán dẫn P kết nối với cực dương của nguồn điện Khi đó, các lỗ trống trong bán dẫn P bị đẩy ra xa bởi cực dương và hút bởi cực âm, trong khi electron trong bán dẫn N bị đẩy ra xa bởi cực âm và hút bởi cực dương Các electron này di chuyển qua thanh dẫn mạ đồng và chạy ngang qua các lỗ trống trong bán dẫn P, tạo ra dòng chảy liên tục từ cực âm đến cực dương của nguồn điện một chiều Việc sử dụng hai loại vật liệu bán dẫn khác nhau cho phép các hạt mang điện tích và nhiệt chảy theo một hướng, từ dưới lên trên Bằng cách kết hợp nhiều viên bán dẫn trong mảng chữ nhật, chúng ta có thể tạo ra các mô-đun nhiệt điện như hình 2.8 Các thiết bị này không chỉ bơm nhiệt hiệu quả mà còn tương thích với nguồn điện một chiều thông thường, hoạt động với nguồn từ 12V đến 16V và tiêu thụ chỉ 4A đến 5A, khác xa với 1270A ở 60mV như ví dụ trước đó Sự kết nối xen kẽ của các viên bán dẫn P và N là nền tảng cho cấu trúc của tấm Peltier.
Hình 2.8: Kết nối nhiều viên bán dẫn P và N b Cấu trúc của tấm peltier
Tấm Peltier bao gồm một ma trận các viên bán dẫn Bismuth được pha trộn với các dấu âm và dương, mang lại khả năng dẫn điện hiệu quả Cặp P-N trong tấm Peltier bao gồm một viên bán dẫn loại P và một viên bán dẫn loại N, được kết nối bằng thanh đồng, cho phép kết nối điện nối tiếp và tạo ra nhiệt song song Nhờ vào cấu trúc này, tấm Peltier có khả năng bơm nhiệt mạnh mẽ Hai điện cực được thiết kế để kết nối với nguồn điện một chiều, trong khi các viên bán dẫn được bảo vệ bằng mặt gốm bên ngoài.
Các giá trị dòng điện lớn nhất (Imax) và điện áp lớn nhất (Vmax) không phản ánh giá trị tối đa cho hiệu suất của tấm Peltier Việc cung cấp Imax và Vmax không đảm bảo rằng sẽ tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ tối đa giữa hai mặt của tấm Đối với các ứng dụng tấm Peltier, việc tuân thủ các khuyến nghị sử dụng là rất quan trọng để đạt hiệu quả tối ưu.
Để đạt hiệu quả tối ưu, giá trị dòng điện và điện áp cần duy trì ở mức 70% giá trị tối đa Việc sử dụng điện áp và dòng vượt quá giới hạn này sẽ dẫn đến giảm nhiệt lượng hấp thụ và tăng nhiệt lượng Joule Sự gia tăng nhiệt lượng Joule không chỉ làm giảm hiệu suất mà còn có thể gây hại cho các mối hàn kết nối trên bán dẫn, dẫn đến nguy cơ phá hủy và đảo ngược quá trình khuếch tán.
Sự chênh lệch nhiệt độ lớn nhất (∆Tmax) giữa hai mặt của tấm Peltier xảy ra khi nhiệt lượng hấp thụ là 0(W) Nhiệt lượng hấp thụ tối đa (Qmax) đạt được khi sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt là 0 (°C) Do đó, khi sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt tấm Peltier giảm, nhiệt lượng hấp thụ sẽ tăng lên và ngược lại.
Khi cung cấp dòng điện một chiều cho tấm Peltier, một mặt sẽ hấp thụ nhiệt và trở nên lạnh, trong khi mặt còn lại sẽ bức xạ nhiệt và trở nên nóng, tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ Nếu dòng điện tiếp tục chạy, nhiệt bức xạ có thể vượt quá nhiệt hấp thụ, khiến cả hai mặt đều nóng lên Để tối ưu hóa hiệu suất làm lạnh, cần kết nối mặt nóng của tấm Peltier với một tấm nhôm tản nhiệt, giúp phân tán nhiệt bức xạ hiệu quả hơn Việc tản nhiệt tốt sẽ giữ cho mặt lạnh ở nhiệt độ thấp nhất, rất thuận lợi cho các ứng dụng làm lạnh.
Khi điện áp một chiều được cung cấp cho tấm Peltier qua hai điện cực, năng lượng được truyền đến các viên bán dẫn trong ma trận, giúp hấp thụ năng lượng nhiệt Năng lượng nhiệt này được hấp thụ ở một bề mặt của gốm bảo vệ và bức xạ ra mặt đối diện, làm cho bề mặt hấp thụ trở nên lạnh và bề mặt bức xạ trở nên nóng Nếu đảo chiều phân cực của dòng điện, bên nóng và bên lạnh sẽ bị đảo ngược Hình 2.10 minh họa hoạt động của tấm Peltier, trong khi hình 2.11 mô tả dòng điện và dòng nhiệt trong tấm này.
Hình 2.9 Hoạt động của tấm Peltier
Hình 2.10: Đường đi của dòng điện và dòng nhiệt
Chương này nghiên cứu nguyên lý hiệu ứng nhiệt điện và hiệu ứng Peltier, phân tích cấu trúc, đặc điểm và hoạt động của tấm Peltier trong thiết kế bộ làm lạnh, cùng với các đặc điểm kỹ thuật cần lưu ý khi thiết kế bộ làm lạnh.
CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH THIẾT KẾ SẢN PHẨM
Sơ đồ thiết kế bộ làm lạnh
Bộ làm lạnh được xây dựng với những đặc điểm thiết kế sau:
+ Khối nguồn cung cấp cho các tấm Peltier là khối nguồn 1 chiều điện áp 24VDC và dòng chịu tối đa là 5A.
+ Khối nguồn 5VDC cung cấp cho khối vi điều khiển
+ Tấm Peltier loại CP60440 có kích thước 40mm × 40mm × 4mm.
Tấm tản nhiệt bằng nhôm được kết nối với mặt nóng của tấm Peltier, giúp phân tán nhiệt hiệu quả Việc sử dụng tấm tản nhiệt bằng nhôm đảm bảo nhiệt độ được phân bố đều trên toàn bộ bề mặt, từ đó tăng cường khả năng tản nhiệt cho mặt nóng một cách nhanh chóng.
+ Quạt tản nhiệt 12 VDC gắn sát với tấm nhôm tản nhiệt để tản nhiệt cho mặt nóng của tấm Peltier.
Khối đo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt độ đặt trong buồng đựng hóa chất, gửi tín hiệu về vi điều khiển để xử lý Kết quả nhiệt độ của buồng hóa chất được hiển thị trên màn hình LCD, giúp người dùng dễ dàng kiểm soát nhiệt độ của hóa chất đang được bảo quản.
Bộ làm lạnh hóa chất được lắp đặt dưới khay chứa hóa chất nhằm đảm bảo nhiệt độ bảo quản phù hợp Sơ đồ khối thiết kế của bộ làm lạnh được thể hiện trong hình Các thông số kỹ thuật chính của thiết bị này rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
- Điện áp cung cấp: 24VDC
- Dải nhiệt độ bảo quản: 2 – 15 °C
- Dải nhiệt độ thiết lập chuẩn 8 °C
Hình 3.1: Sơ đồ khối thiết kế của bộ làm lạn h
Hình 3.2 khay đựng hóa chất trong máy xét nghiệm sinh hóa
Khối làm lạnh trung tâm là thành phần quan trọng nhất trong bộ làm lạnh bảo quản hóa chất Thiết kế cần được tính toán cẩn thận để đảm bảo dải nhiệt độ bảo quản cho buồng chứa hóa chất từ 2 - 15°C, với nhiệt độ lý tưởng là 8°C.
Khối làm lạnh hoạt động với nhiệt độ mặt nóng và nhiệt độ cần làm lạnh, đồng thời chịu ảnh hưởng từ nhiệt độ môi trường Biểu đồ tương quan trong hình 3.6 mô tả mối quan hệ giữa các thông số của bộ làm lạnh.
Điện áp tối đa cho tấm CP60440 là 15,4V, nhưng nhà sản xuất khuyến cáo chỉ nên sử dụng 70%, tức là 12V Với điện áp cung cấp U = 12V, dựa vào đồ thị mối quan hệ giữa điện áp, dòng điện và độ chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt nóng và lạnh, khi ∆T = 40°C (tính từ 50°C - 10°C), ta suy ra dòng điện I = 3,9 A.
1) Hệ số truyền nhiệt của nhôm : λ = 238 (W/m°C), bề dày của nhôm t 0,001 (m)
2) Diện tích bề mặt của hộp được tính theo công thức:
3) Hệ số truyền nhiệt mặt ngoài : , (nhiệt truyền từ môi trường bọt biển ra bên ngoài).
Hệ số truyền nhiệt mặt trong là yếu tố quan trọng, thể hiện mức độ truyền nhiệt từ môi trường không khí trong hộp ra lớp vỏ nhôm Để tính toán hệ số truyền nhiệt tổng cộng, chúng ta sử dụng công thức cụ thể sau đây.
4) Nhiệt đưa vào từ nguồn nhiệt bên ngoài:
5) Nhiệt cần thiết hấp thụ:
Thêm độ dữ trữ nhiệt 25% trong quá trình hoạt động của thiết bị nên nhiệt cần cung cấp sẽ là: Q = 12,7 + 12,7×25% = 15,9 (W).
6) Chọn khối làm lạnh: CP60440 có thể tạo ra độ chênh lệch nhiệt độ 20°C với độ hấp thụ nhiệt là 9W, mà 15,9 / 9 ≈ 2, tức là cần hai tấm peltier CP60440 để làm lạnh cho buồng đựng hóa chất có thể duy trì nhiệt độ bảo quản từ 2 – 15 °C.
Khối mạch nguồn
- Sử dụng nguồn nuôi cho khối điều khiển, LM 7805 Ic ổn áp 5 V
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch tạo nguồn 5 VDC a Nguyên lý hoạt động của IC ổn áp họ 78xx và 79xx
Với những mạch điện không đòi hỏi độổn định của điện áp quá cao, sử dụng
IC ổn áp là lựa chọn phổ biến cho các nhà thiết kế nhờ vào mạch điện đơn giản Những loại IC ổn áp thường gặp bao gồm IC 78xx và 79xx, trong đó "xx" đại diện cho điện áp cần được ổn định Ví dụ, IC 7805 cung cấp điện áp 5V ổn định.
7805 ổn áp 5V, 7808 ổn áp 8V, 7812 ổn áp 12V hay ổn áp điện áp âm có 7905 ổn áp điện áp -5V, 7912 ổn áp -12V
+ Họ 78xx là họ cho ổn định điện áp đầu ra là dương Còn xx là giá trịđiện áp đầu ra như 5V, 6V
+ Họ 79xx là họổn định điện áp đầu ra là âm Còn xx là điện áp đầu ra như: -5V, - 6V
Sự kết hợp của hai con này sẽ tạo ra được bộ nguồn đối xứng
Về mặt nguyên lý nó hoạt động tương đối giống nhau Bây giờ ta xét từng IC 78xx, 79xx
78xx là loại dòng IC dùng đểổn định điện áp dương đầu ra, với điều kiện đầu vào luôn luôn > đầu ra 3V
Tùy loại IC 78xx mà nó ổn áp đầu ra là bao nhiêu
- Họ IC 78xx gồm có 3 chân :
Chân 1 (Vin): Chân nguồn đầu vào
Chân 2 (GND): Chân nối đất
Chân 3 (Vout): Chân nguồn đầu ra
Cách mắc 78xx điều chỉnh điện áp (3V-30V)
Nguyên lý ổn áp: Thông qua điện trở R2 và D1 gim cốđịnh điện áp chân Rt của
Transistor Q1, giả sửkhi điện áp chân E đèn Q1 giảm => khi đó điện áp UBE tăng
=> dòng qua đèn Q1 tăng => làm điện áp chân E của đèn tăng , và ngược lại
Chú ý: Điện áp đặt trước IC 78xx phải lớn hơn điện áp cần ổn áp từ 3V trở lên
* Những dạng seri của 78XX
LA7824 IC ổn áp 24V Đây là dòng cho điện áp ra tương ứng với dòng là 1A Ngoài ra còn các seri khác chịu được dòng
78Lxx Chuyển đổi điện áp dương từ +5V > +24V Dòng 0.1A
78Mxx Chuyển đổi điện áp dương từ +5V > +24V Dòng 0.5A
78Sxx Chuyển đổi điện áp dương từ +5V > +24V Dòng 0.2A
Dòng IC 79xx được sử dụng để ổn định điện áp âm đầu ra, yêu cầu điện áp đầu vào phải nhỏ hơn điện áp đầu ra ít nhất 3V Chẳng hạn, với IC 7912 để ổn định điện áp -12V, điện áp đầu vào cần phải đạt tối thiểu -15V; nếu thấp hơn, IC có thể bị hỏng Mỗi loại IC trong dòng 79xx có mức điện áp đầu ra ổn định khác nhau.
- Về nguyên lí hoạt động và seri của IC 79xx tương đối giống vơi IC 78xx
- Họ IC 79xx gồm có 3 chân: (Sơ đồ chân khác với 78xx)
Chân 1 (GND): Chân nối đất
Chân 2 (Vin): Chân nguồn đầu vào
Chân 3 (Vout): Chân nguồn đầu ra
Hình 3.5: Dạng IC họ 79xx thực tế
Sử dụng kết hợp IC họ 78xx và họ79xx để tạo nguồn đối xứng
Chú ý: Đểđảm bảo mạch nguồn chạy trong thời gian lâu, yêu cầu biến áp loại tốt và có lắp tản nhiệt cho IC ổn áp.
3.2.2 Khối nguồn 24 VDC – 5A : sử dụng bộ nguồn có sẵn trên thị trường
Khốinguồn 24 VDC, 5A dùng để cung cấp điện áp cho 01cặp Peltiel
Hình 3.6 Module khối nguồn 24 VDC
Kh ố i công suất và khối cách ly quang
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý khối công suất và cách ly quang
Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý và mạch in khối cách ly quang
Opto hay còn gọi là cách ly quang là linh kiện tích hợp có cấu tạo gồm 1 led và
Một photo diode và một photo transistor được sử dụng để cách ly giữa các khối có sự chênh lệch về điện áp hoặc công suất, chẳng hạn như giữa khối có công suất nhỏ và khối điện áp lớn.
Ví dụ bên dưới là opto PC817
Khi dòng điện nhỏ đi qua hai đầu của LED trong opto, LED sẽ phát sáng Sự phát sáng của LED này giúp thông hai cực của photodiode, từ đó cho phép dòng điện chạy qua.
Hình 3.9 Sơ đồ ứng dụng
Cách ly điều khiển giữa hai tầng mạch điện khác nhau là tác dụng chính của sơ đồ ứng dụng với OK1 Khi cung cấp 5V vào chân số 1, LED bên trong Opto sẽ sáng, tạo ra hiệu ứng quang điện Hiệu ứng này dẫn đến việc chuyển đổi mức logic từ 1 sang 0 mà không cần tác động trực tiếp từ IC.
Trong lĩnh vực điện-điện tử, opto hay bộ cách ly quang (opto-isolator) là linh kiện truyền tín hiệu điện bằng cách chuyển đổi tín hiệu thành ánh sáng Mục đích chính của opto là tạo ra sự cách ly điện giữa đầu vào và đầu ra Cấu tạo của opto bao gồm một LED phát và một LED thu (photo diot hoặc photo transistor), cả hai được tích hợp trong một vỏ bọc kín Opto thường được sử dụng trong các hệ thống điện-điện tử công suất lớn để ngăn chặn các xung điện áp cao hoặc phần mạch điện công suất lớn gây hư hỏng cho các ngõ điều khiển công suất nhỏ trên bo mạch.
Hình 3.10 Cách bố trí LED phát và LED thu bên trong của opto-coupler:
Khi dòng điện nhỏ đi qua hai đầu của LED trong opto, LED sẽ phát sáng Sự phát sáng này kích hoạt hai cực của photodiot, cho phép dòng điện chạy qua Dưới đây là các hình dạng thực tế của opto cùng với ứng dụng của nó trong lĩnh vực điện-điện tử công nghiệp.
- Sử dụng bốn cách ly quang PC 817 nhằm mục đích cách ly khối điều khiển và khối công suất
- R1, R2, R3, R4 bốn điện trở hạn dòng để bảo vệ cách ly quang
Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý khối công suất
Khối công suất : Nhằm ổn định công suất đầu ra khi các tấm Peltier hoạt động Với kênh sử dụng
- 01 điốt N4007 có tác dụng bảo vệ mạch chống ngược dòng
- 01IC công suất IRF 540 : có tác dụng đóng mở nguồn cấp 12VDC cho Peltier
- 02 tranzito thuận ngược có tác dụng làm mạch phối hợp đẩy kéo
- Khối công suất gồm 3 kênh tương ứng cho 3 cặp pin Peliter và 1 kênh cho quạ làm mát phần nóng sử dụng linh kiện IRF 540 N
Khối cảm biến nhiệt độ đầu vào
Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến nhiệt độ đầu vào
- Sử dụng 4 cảm biến nhiệt độ LM 35 DZ , trong đó 3 cảm biến tại 4 điểm các vi trí khác nhau của khối làm lạnh và 1 cảm biến ở mặt nóng
Khối cảm biến đầu vào bao gồm bốn cảm biến nhiệt độ LM35 DZ, được sử dụng để đo nhiệt độ môi trường Các đầu ra của những cảm biến này sẽ được kết nối vào bộ MUX để xử lý dữ liệu.
Diode Zener có cấu trúc tương tự như diode thông thường, nhưng được sử dụng chủ yếu trong chế độ phân cực ngược Khi ở chế độ phân cực thuận, Diode Zener hoạt động như một diode bình thường, trong khi khi phân cực ngược, nó duy trì một mức điện áp cố định tương ứng với giá trị ghi trên diode.
Diode Zener, hay còn gọi là "điốt đánh thủng" hoặc "điốt ổn áp", là loại điốt được thiết kế đặc biệt để hoạt động hiệu quả trong miền đánh thủng Khi được mắc ngược chiều, nếu điện áp trong mạch vượt quá điện áp định mức của điốt, diode Zener sẽ cho phép dòng điện đi qua.
Diode Zener hoạt động như một diode thông thường khi được phân cực thuận Khi phân cực nghịch, ban đầu chỉ có dòng điện nhỏ qua diode, nhưng khi điện áp nghịch đạt đến giá trị Vngược = Vz (với Vz là điện áp Zener), dòng điện qua diode tăng mạnh Tuy nhiên, hiệu điện thế giữa hai đầu diode gần như không thay đổi, được gọi là hiệu thế Zener.
3.4.1 Các đặc điểm chung của cảm biến nhiệt độ LM35 DZ
Hình 3.12 Cảm biến nhiệt độ LM 35 DZ
+ Chân 1 : Chân nguồn đầu vào Vcc
+ Chân 2 : Chân đầu ra Vout
Cảm biến LM35 là một thiết bị cảm biến nhiệt độ với độ chính xác cao, có điện áp đầu ra tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius Đặc biệt, cảm biến này không cần phải hiệu chỉnh ngoài vì đã được hiệu chỉnh sẵn.
+ Điện áp đầu vào từ 4VDC đến 30VDC
+ Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/oC
+ Độ chính xác cao ở 25 C là 0.5 C
+ Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải
Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ -55 C - 150 C với các mức điện áp ra khác nhau Xét một số mức điện áp sau :
- Nhiệt độ -55 C điện áp đầu ra -550mV
- Nhi ệt độ 25 C điện áp đầ u ra 250mV
- Nhi ệt độ 150 C điện áp đầ u ra 1500mV
Tùy theo cách m ắ c c ủa LM35 để ta đo các giả i nhi ệt độ phù h ợp Đố i v ớ i h ệ th ố ng này th ì đo từ 0 đế n 150
3.4.2 Tính toán nhi ệt độ
Ta có hàm truy ề n sau:
Từ hàm truyền trên ta có :
Với K là điện áp đầu ra của LM35 : K = 10mV/oC t là nhiệt độ môi trường [K]
Giá trị ADC đo được từ giá trị điện áp đầu vào
Giá trị nhiệt độ đo được: t = ADC_value * 2.44/10 (oC)
+ Tại 0 độ C thì điện áp của LM35 là 10mV
+ T ại 150 độ C thì điệ n áp c ủ a LM35 là 1.5V
==> Giải điện áp ADC biến đổi là 1.5 - 0.01 = 1.49 (V)
+ ADC 11 bit nên b ước thay đổ i c ủ a ADC là : n = 2.44mV
Vậy sai số của hệ thống đo là : Y = 0.00244/1.49 = 0.164 %
Khối điều khiển
Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển
- Khố điều khiển có chức năngcấp nguồn 24 V cho
3.5.1 Giới thiệu sơ lược về vi điều khiển PIC16F877A a Sơ đồ chân PIC16F877A
Hình 3.14 : Sơ đồ chân và hình dạng của Píc 16F877
- : Hoạt động Reset ở mức thấp
- VPP : ngõ vào áp lập trình
2 RA0/AN0 - RA0 : xuất/nhập số
- AN0 : ngõ vào tương tự
3 RA1/AN1 - RA1 : xuất/nhập số
- AN1 : ngõ vào tương tự
4 RA2/AN2/VREF-/CVREF - RA2 : xuất/nhập số
- AN2 : ngõ vào tương tự
- VREF -: ngõvào điện áp chuẩn (thấp) của bộ A/D
5 RA3/AN3/VREF+ - RA3 : xuất/nhập số
- AN3 : ngõ vào tương tự
- VREF+ : ngõ vào điện áp chuẩn (cao) của bộ A/D
6 RA4/TOCKI/C1OUT - RA4 : xuất/nhập số
- TOCKI : ngõ vào xung clock bên ngoài cho timer0
- C1 OUT : Ngõ ra bộ so sánh 1
7 RA5/AN4/ /C2OUT - RA5 : xuất/nhập số
- AN4 : ngõ vào tương tự 4
- SS : ngõ vào chọn lựa SPI phụ
- C2 OUT : ngõ ra bộ so sánh 2
8 RE0/ /AN5 - RE0 : xuất nhập số
- RD : điều khiển việc đọc ở port nhánh song song
- AN5 : ngõ vào tương tự
9 RE1/ /AN6 - RE1 : xuất/nhập số
- WR : điều khiển việc ghi ở port nhánh song song
- AN6 : ngõ vào tương tự
10 RE2/ /AN7 - RE2 : xuất/nhập số
- CS : Chip lựa chọn sự điều khiển ở port nhánh song song
- AN7 : ngõ vào tương tự
11 VDD Chân nguồn của PIC.
13 OSC1/CLKI Ngõ vào dao động thạch anh hoặc xung clock bên ngoài
- OSC1 : ngõ vào dao động thạch anh hoặc xung clock bên ngoài Ngõ vào Schmit trigger khi được cấu tạo ở chế độ RC ; một cách khác của CMOS.
- CLKI : ngõ vào nguồn xung bên ngoài Luôn được kết hợp với chức năng OSC1.
14 OSC2/CLKO Ngõ vào dao động thạch anh hoặc xung clock
- OSC2 : Ngõ ra dao động thạch anh Kết nối đến thạch anh hoặc bộ cộng hưởng.
- CLKO : ở chế độ RC, ngõ ra của OSC2, bằng tần số của OSC1 và chỉ ra tốc độ của chu kỳ lệnh.
15 RC0/T1 OCO/T1CKI - RC0 : xuất/nhập số
- T1OCO : ngõ vào bộ dao động Timer 1
- T1CKI : ngõ vào xung clock bên ngoài Timer 1
16 RC1/T1OSI/CCP2 - RC1 : xuất/nhập số
- T1OSI : ngõ vào bộ dao động Timer 1
- CCP2 : ngõ vào Capture 2, ngõ ra compare 2, ngõ ra PWM2
17 RC2/CCP1 - RC2 : xuất/nhập số
- CCP1 : ngõ vào Capture 1, ngõ ra compare 1, ngõ ra PWM1
18 RC3/SCK/SCL - RC3 : xuất/nhập số
- SCK : ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ/ngõ ra của chế độ SPI
- SCL : ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ/ ngõ ra của chế độ I2C
19 RD0/PSP0 - RD0 : xuất/nhập số
- PSP0 : dữ liệu port nhánh song song
20 RD1/PSP1 - RD1 : xuất/nhập số
- PSP1 : dữ liệu port nhánh song song
21 RD2/PSP2 - RD2 : xuất/nhập số
- PSP2 : dữ liệu port nhánh song song
22 RD3/PSP3 - RD3: xuất/nhập số
- PSP3 : dữ liệu port nhánh song song
23 RC4/SDI/SDA - RC4 : xuất/nhập số
- SDI : dữ liệu vào SPI
- SDA : xuất/nhập dữ liệu vào I2C
24 RC5/SDO - RC5 : xuất/nhập số
- SDO : dữ liệu ra SPI
25 RC6/TX/CK - RC6 : xuất/nhập số
- TX : truyền bất đồng bộ USART
- CK : xung đồng bộ USART
26 RC7/RX/DT - RC7 : xuất/nhập số
- RX : nhận bất đồng USART
- DT : dữ liệu đồng bộ USART
27 RD4/PSP - RD4: xuất/nhập số
- PSP4 : dữ liệu port nhánh song song
28 RD5/PSP5 - RD5: xuất/nhập số
- PSP5 : dữ liệu port nhánh song song
29 RD6/PSP6 - RD6: xuất/nhập số
- PSP6 : dữ liệu port nhánh song song
30 RD7/PSP7 - RD7: xuất/nhập số
- PSP7 : dữ liệu port nhánh song song
32 VDD Chân nguồn của PIC.
33 RB0/INT - RB0 : xuất/nhập số
36 RB3 - RB3 : xuất/nhập số
- Chân cho phép lập trình điện áp thấp ICPS
39 RB6/PGC - RB6 : xuất/nhập số
- PGC : mạch vi sai và xung clock lập trình ICSP
40 RB7/PGD - RB7 : xuất/nhập số
- PGD : mạch vi sai và dữ liệu lập trình ICSP
- Ngắt PortB b Một vài thông số về vi điều 16F877A Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài
Mỗi lệnh được thực thi trong một chu kỳ xung clock, với tốc độ tối đa 20 MHz và thời gian chu kỳ lệnh là 200ns Hệ thống có bộ nhớ chương trình 8Kx14 bit, bộ nhớ dữ liệu 368x8 byte RAM và bộ nhớ EEPROM dung lượng 256x8 byte Số lượng PORT I/O là 5, với tổng cộng 33 pin I/O.
Các đặc tính ngoại vi bao gồmcác khối chức năng sau:
Timer0: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit.
Timer1 là một bộ đếm 16 bit tích hợp bộ chia tần số, cho phép thực hiện chức năng đếm dựa vào xung clock ngoại vi ngay cả khi vi điều khiển đang ở chế độ sleep.
Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler.
Hai bộ Capture/so sánh/điều chế độ rông xung.
Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronous Serial Port), SPI và I2C.
Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ.
Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển
8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit.
Bên cạnh đó là một vài đặc tính khác của vi điều khiển như:
Bộ nhớ flash với khả năng ghi xóa được 100.000 lần.
Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xóa được 1.000.000 lần.
Dữ liệu bộnhớ EEPROM có thể lưu trữ trên 40 năm.
Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần mềm.
Nạp được chương trình ngay trên mạch điện ICSP (In Circuit Serial Programming) thông qua 2 chân
Watchdog Timer với bộ dao động trong.
Chức năng bảo mật mã chương trình.
Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác nha c Sơ đồ khối của vi điều khiển PIC16F877A
Hình 3.15 : Cấu trúc bên trong của Pic 16F877A
Vi điều khiển PIC sử dụng kiến trúc Harvard, cho phép CPU truy cập chương trình và dữ liệu qua hai bus riêng biệt Điều này giúp tăng đáng kể băng thông so với kiến trúc Von Neumann, nơi CPU phải truy cập cả chương trình và dữ liệu trên cùng một bus.
Việc tách riêng bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu cho phép số bit của từ lệnh và từ dữ liệu khác nhau Cụ thể, ở vi điều khiển PIC 16F877A, từ lệnh có độ dài 14 bit trong khi từ dữ liệu chỉ 8 bit Ngoài ra, PIC 16F877A được trang bị một bộ ALU 8 bit và một thanh ghi làm việc (working register).
ALU (Đơn vị tính toán số học và logic) thực hiện các phép toán số và đại số Boole trên thanh ghi làm việc WR và các thanh ghi dữ liệu Nó có khả năng thực hiện các phép cộng, trừ, dịch bit và các phép toán logic ALU đóng vai trò quan trọng trong bộ nhớ chương trình.
Bộ nhớ chương trình của vi điều khiển PIC16F877A là bộ nhớ flash với dung lượng 8K word (1 word = 14 bit), được chia thành nhiều trang từ page 0 đến page 3 Điều này cho phép bộ nhớ chương trình chứa tối đa 8192 lệnh, vì mỗi lệnh sau khi mã hóa có dung lượng 1 word (14 bit) Để mã hóa địa chỉ của 8K word bộ nhớ chương trình, bộ đếm chương trình có dung lượng 13 bit (PC).
Khi vi điều khiển được reset, bộ đếmchương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0000h (Resetvector) Khi có ngắt xảy ra, bộ đếm chươngtrình sẽ chỉ đến địa chỉ 0004h (Interruptvector)
Bộ nhớ chương trình không baogồmbộ nhớ stack và không được địa chỉ hóa bởibộ đếm chương trình Bộ nhớ stack sẽ đượcđề cập cụ thể trong phần sau
Hình 3.16 Bộ nhớ chương trình của Pic e Bộ nhớ dữ liệu
Bộ nhớ dữ liệu của PIC16F877A được chia thành 4 bank, mỗi bank có dung lượng 128 byte, bao gồm các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR) và thanh ghi mục đích chung (GPR) Các thanh ghi SFR, như thanh ghi STATUS, được phân bố đều trong tất cả các bank để thuận tiện cho việc truy xuất và giảm thiểu lệnh trong chương trình Sơ đồ chi tiết của bộ nhớ dữ liệu PIC16F877A thể hiện cấu trúc này.
Hình 3.17: Bộ nhớ bộ nhớ của Pic f Các thanh ghi đặc biệt
Hình 3.18: Sơ đồ thanh ghi FSR
Thanh ghi FSR chứa địa chỉ “con trỏ” chỉ đến, thanh ghi INDF chứa nội dung có địa chỉ nằm trong thanh ghi FSR.
Ví dụ:Thanh ghi 22H có giá trị là 10 Nếu FSR "H thì INDF
Tóm lại, Thanh ghi INDF không phải là một thanh ghi vật lí Nó chứa giá trị của thanh ghi cóđịa chỉ nằm ở thanh ghi FSR
Thanh ghi trạng thái chứa các trạng thái số học của bộ ALU, trạng thái Reset và các bit chọn Bank của bộ nhớ dữ liệu
Bit 7 IRP: Bit lựa chọn bank thanh ghi (Sử dụng cho định địa chỉ gián tiếp).
Bit 6 – 5: RP1 – RP0: Bit lựa chọn bank thanh ghi (Dùng trong định điạ chỉ trực tiếp).
Bit 4 TO: Bit báo hiệu hoạt động của WDT.
1: Lệnh xóa WDT hoặc Sleep xảy ra.
Bit 3 PD: Bit báo công suất thấp ( Power down bit).
1: Sau khi nguồn tăng hoặc có lệnh xóa WDT.
1: Khi kết quả của một phép toán bằng 0.
0: Khi kết quả của một phép toán khác 0
1: Có một số nhớ sinh ra bởi phép cộng hoặc phép trừ 4 bit thấp. 0: Không có số nhớ sinh ra.
Bit 0 C: cờ nhớ (Carry Flag)/ borrow
1: Có một số nhớ sinhra bởi phép cộng hoặc phép trừ 4 bit cao.
0: Không có số nhớ sinh ra.
Ví dụ:Nếu A – B < 0 thì C = 0 ngược lại C = 1
- THANH GHI ĐIỀU KHIỂN NGẮT INTCON (Interrupt Control Register)
Bit 7 GIE: Bit cho phép ngắt toàn cục
1: Cho phép ngắt toàn cục
Bit 6 PEIE: Bit cho phép ngắt khi ghi vào EEPROM hoàn tất.
1: Cho phép ngắt ghi vào EEPROM hoạt động
0: Không cho phép ngắt ghi vào EEPROM hoạt động
Bit 5 TMR0IE: Bit cho phép ngắt khi timer 0 tràn
1: Cho phép ngắt khi timer 0 tràn
0: Không cho phép ngắt khi timer 0 tràn
Bit 4 INTE: Bit cho phép ngắt ngoại vi trên chân RB0/INT
1: Cho phép ngắt ngoại vi
0: Không cho phép ngắt ngoại vi
Bit 3 RBIE: Cho phép ngắt khi trạng thái PORTB thay đổi
Bit 2 TMR0IF: Cờ báo ngắt Timer 0
Bit 1 INTF:Cờ báo ngắt ngoài RB0/INT
Bit 0 RBIF:Cờ báo ngắt khi có thay đổi trạng thái PORTB
0: Không có thay đổi xảy ra trên PORTB
* Ngoài ra còn một số thanh ghi chức năng khác như:
Thanh ghi PIE1 (địa chỉ 8Ch): chứa các bit điều khiển chi tiết các ngắt của các khối chứcnăng ngoại vi.
Thanh ghi PIR1 (địa chỉ 0Ch) lưu trữ cờ ngắt của các khối chức năng ngoại vi, trong khi các ngắt này được cho phép thông qua các bit điều khiển trong thanh ghi PIE1.
Thanh ghi PIE2 (8Dh) chứa các bit điều khiển ngắt cho các khối chức năng như CCP2, bus SSP, ngắt của bộ so sánh và ngắt ghi vào bộ nhớ EEPROM.
Thanh ghi PIR2 (0Dh) lưu trữ các cờ ngắt từ các khối chức năng ngoại vi, trong khi các ngắt này được kích hoạt thông qua các bit điều khiển có trong thanh ghi PIE2.
Thanh ghi PCON ( 8Eh): chứa các cờ hiệu cho biết trạng thái các chế độ reset của vi điều khiển.Để biết them chi tiết xem phần Phụ luc
STACK
Stack cho phép tối đa 8 lệnh gọi chương trình con và ngắt hoạt động, lưu trữ địa chỉ mà chương trình chính sẽ trở về sau khi thực hiện chương trình con hoặc ngắt.
PIC16F877A Stack có độ sâu 8 lớp
Stack không nằm trong bộ nhớ chương trình hay bộ nhớ dữ liệu mà là một vùng nhớ đặc biệt, không cho phép đọc hay ghi Khi thực hiện lệnh CALL hoặc khi xảy ra ngắt, giá trị của bộ đếm chương trình PC sẽ tự động được lưu vào stack Khi lệnh RETURN, RETLW hoặc RETFIE được thực thi, giá trị PC sẽ được lấy ra từ stack, cho phép vi điều khiển tiếp tục thực hiện chương trình theo qui trình định trước.
Bộ nhớ Stack trong vi điều khiển PIC 16F87xA có khả năng lưu trữ 8 địa chỉ và hoạt động theo cơ chế xoay vòng Khi giá trị thứ 9 được ghi vào, nó sẽ ghi đè lên giá trị đầu tiên, và giá trị thứ 10 sẽ ghi đè lên giá trị thứ 2 trong bộ nhớ Stack.
Trong vi điều khiển dòng PIC, không có cờ hiệu nào để xác định trạng thái của stack, vì vậy chúng ta không thể biết khi nào stack sẽ tràn Hơn nữa, các lệnh POP và PUSH không tồn tại trong tập lệnh của vi điều khiển này, dẫn đến việc mọi thao tác với bộ nhớ stack hoàn toàn phụ thuộc vào sự điều khiển của CPU.
Khối đo và hiển thị nhiệt độ
Khối đo và hiển thị nhiệt độ được sử dụng để theo dõi nhiệt độ trong buồng hóa chất, với khả năng hiển thị thông tin trên màn hình LCD Thiết bị này bao gồm các khối cơ bản, giúp đảm bảo độ chính xác và hiệu quả trong việc kiểm soát nhiệt độ môi trường hóa chất.
Hình 3.19 Sơ đồ khối của khối đo và hiển thị nhiệt độ
Hình 3.20 Khối hiển thị LCD
Hoạt động của khối đo và hiển thị nhiệt độ như sau: 3 Cảm biến nhiệt độ LM
Cảm biến nhiệt độ LM 35 DZ được đặt trong buồng đựng hóa chất để thu nhận và chuyển đổi nhiệt độ thành tín hiệu số Tín hiệu này sẽ được gửi về bộ vi xử lý, được xây dựng trên vi điều khiển PIC 16F877A, để xử lý và hiển thị dữ liệu trên màn hình LCD Do LM 35 DZ cung cấp đầu ra là tín hiệu số, nên không cần sử dụng bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC).
Cảm biến nhiệt độ 04 vi trí
3.7 1 Giới thiệu sơ lược về text LCD
Text LCD là màn hình tinh thể lỏng nhỏ dùng để hiển thị chữ và số theo mã ASCII, khác với Graphic LCD có khả năng hiển thị hình ảnh Màn hình này được chia thành từng ô, mỗi ô chỉ hiển thị một ký tự ASCII, với các điểm tinh thể lỏng kết hợp để tạo thành ký tự Các mẫu ký tự trong Text LCD được định nghĩa sẵn, và kích thước của nó được xác định bởi số ký tự trên mỗi dòng và tổng số dòng Ví dụ, LCD 16×1 có một dòng và hiển thị tối đa 16 ký tự, trong khi một số kích thước phổ biến khác là 16×2.
16×4, 20×2, 20×4,…Trong luận văn sử dụng loại LCD 16×2 có hình dạng bên ngoài như hình 3.13.
Hình 3.21 Bộ hiển thị Text LCD 16×2
Năng các chân của LCD được tóm tắt trong bảng sau:
STT chân Tên chân Chức năng Mô tả
1 Vss Nguồn cấp Cung cấp nguồn, nối đất (0V)
2 VDD Nguồn cấp Cung cấp nguồn, nguồn dương
3 V0 Nguồn cấp Cung cấp nguồn điện áp tham chiếu điều chỉnh độ tương phản LCD
Chọn thanh ghi (Register Reset) + RS=High: Chế độ đọc
+ RS= Low: Chế độ truyền lệnh
Bus điều khiển đọc/ghi (Read/Write Control Bus)
+ R/W= High: Chế độ đọc + R/W= Low: Chế độ ghi
6 E Ngõ vào Bật dữ liệu (Data Enable)
7->14 DB0->DB7 Ngõ vào/ra
Bus dữ liệu ba trạng thái hai chiều vào/ra
+ Chế độ giao tiếp 8 bit, DB0-DB7 đều được sử dụng.
+ Chế độ giao tiếp 4 bit, DB4-DB7 được sử dụng, DB0-DB3 để hở.
15 BLA (+) Nguồn cấp Cung cấp nguồn cho cực dương đèn nền
16 BLK (-) Nguồn cấp Cung cấp nguồn cho cực âm đèn nền
3.7.2 Kết nối ứng dụng PIC16F877A với LCD
Để đảm bảo LCD hoạt động, kết nối chân Vss với đất (GND) và chân VDD với nguồn 5V Chân VEE cần được kết nối với một biến trở chia áp để điều chỉnh độ tương phản Các chân RS, R/W và E được nối trực tiếp với các chân RD0, RD2 và RD3 ở cổng D của vi điều khiển Với chế độ giao tiếp 4 bit, các chân DB0-DB3 để hở, trong khi các chân DB4-DB7 được nối trực tiếp với các chân RD4-RD7 ở cổng D của vi điều khiển.