B GIÁO DỤCĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGUYN PHƯƠNG NGỌC
THIT K, CH TO MY M DCH TRUYN DNG
CHO BNH NHÂN NNG
Chuyên ngành: K thut Y sinh
LUẬN VĂN THẠC SĨ K THUT
K THUT Y SINH
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
GS. TS NGUYN ĐC THUN
Hà Nội - 2018
1
LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập nghn cứu, với sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của các thầy
giáo, sự động viên khích lệ của gia đình, đồng nghiệp bạn cùng với sự cố gắng
của bản thân, tôi đã hoàn thành đề tài luận n Thiết kế, chế tạo y ủ ấm dịch truyền
dùng cho bệnh nhân nặng”.
Với tình cảm chân thành, tôi xin y tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS TS. Nguyễn
Đức Thuận người đã hướng dẫn, giúp đỡ, chỉ bảo tôi tận tình trong suốt quá trình thực
hiện đề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn Viện đào tạo sau đại học, Viện Điện tử viễn thông
Đại học Bách khoa Nội, các thầy giáo đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi
trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn.
Cui cùng, tôi xin chân thành cảm ơn những ý kiến đóng p ng q báu của
các thầy giáo, c đồng nghiệp, các bạn bè đã giúp đ tôi hoàn thành đề tài luận văn.
Xin trân trọng cảm ơn!
H Ni, ngày …… tháng …… năm 201
Học viên
Nguyễn Phương Ngọc
2
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................ 5
DANH SÁCH HÌNH VẼ ......................................................................................
DANH SÁCH BẢNG BIỂU .................................................................................
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................... 10
1. Lý do chọn đề tài .............................................................................. 12
2. Mục đích nghiên cứu của luận văn ................................................. 13
a. Yêu cầu chức năng. ........................................................................ 13
b. Yêu cầu phi chức năng ................................................................... 13
3. Các phương án thực hiện ................................................................. 13
a. Phương án 1. .................................................................................. 16
b. Phương án 2. .................................................................................. 17
c. Lựa chọn phương án thực hiện ...................................................... 16
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................ 18
1.1. Thuật toán điều khiển PID .............................................................. 21
1.1.1. Giới thiệu về bộ điều khiển PID .................................................... 21
1.1.2. Khâu P ............................................................................................ 21
1.1.3 Khâu I ............................................................................................. 22
1.1.4 Khâu D ........................................................................................... 23
1.1.5 Tổng hợp 3 khâu – Bộ điều khiển PID .......................................... 24
1.1.6 Rời rạc hóa bộ điều khiển PID ....................................................... 25
1.2 Thiết kế bộ điều khiển PID .............................................................. 27
1.2.1 Sử dụng hàm quá độ của đối tượng (Ziegler Nichols 1) ............. 29
1.2.2 Sử dụng các giá trị tới hạn từ thực nghiệm (Ziegler Nichols 2) .30
1.3 Sơ lược về vấn đề truyền nhiệt ........................................................ 32
1.3.1 Vấn đề truyền nhiệt ........................................................................ 32
1.3.2 Tác dụng của keo tản nhiệt ............................................................ 33
1.4 Thiết bị, dụng cụ và một số tiêu chuẩn y tế .................................... 34
1.4.1 Dây truyền dịch .............................................................................. 34
1.4.2 Chai dịch truyền/túi dịch truyền .................................................... 35
1.4.3 Cách tính tốc độ truyền .................................................................. 35
3
CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
MÁY Ủ ẤM DỊCH TRUYỀN ..................................................................................... 33
2.1 Sơ đồ khối .......................................................................................... 33
2.1.1 Sơ đồ khối ...................................................................................... 33
2.1.2 Chức năng từng khối ...................................................................... 33
2.2 Giới thiệu các linh kiện và thiết bị .................................................. 33
2.2.1 Kiến trúc vi điều khiển AT89C52 .................................................. 33
2.2.2 Peltier Cooler 12706 ...................................................................... 36
2.2.3 Sử dụng tấm nhiêt nhôm .............................................................. 363
2.2.4 Nhiệt điện trở NTC ........................................................................ 44
2.2.5 Cảm biến nhiệt độ LM35 ............................................................. 365
2.2.6 Khối ADC 0809 ............................................................................. 46
2.2.7 Màn hình hiển thị LCD 16x2 ......................................................... 48
2.2.8 LM 7805 ......................................................................................... 46
2.2.9 IRFZ44N ....................................................................................... 46
2.2.10 TLP 250 ........................................................................................ 47
2.3 Các phần mềm hỗ trợ. ...................................................................... 48
2.3.1 Proteus 7.8 sp2 ............................................................................... 48
2.3.2 Orcad 9.2 ........................................................................................ 48
2.3.3 CCS 4.104 ...................................................................................... 50
2.3.4 Solidworks 2010 ............................................................................ 50
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ CHI TIẾT MÁY Ủ ẤM DỊCH TRUYỀN........... 52
3.1 Thiết kế chi tiết từng khối ................................................................ 52
3.1.1 Thiết kế khối nguồn ....................................................................... 52
3.1.2 Thiết kế khối cảm biến ................................................................... 52
3.1.3 Thiết kế khối công suất và khối gia nhiệt ...................................... 55
3.1.4 Thiết kế khối điều khiển ................................................................ 60
3.1.5 Thiết kế khối hiển thị mạch LCD 16x2 ......................................... 62
3.1.6 Sơ đồ khối tổng thể ........................................................................ 63
3.1.7 Thiết kế vỏ ..................................................................................... 63
3.1.7.1 Bản vẽ thiết kế vỏ sản phẩm .......................................................... 64
3.1.7.2 Bản vẽ chi tiết khối gia nhiệt ....................................................... 637
4
CHƯƠNG 4. CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ ............................ 69
4.1 Chế tạo mạch in và hộp máy ........................................................... 69
4.2 Thuật toán điều khiển. ..................................................................... 67
4.2.1 Lưu đồ chương trình PID: .............................................................. 67
4.2.2 Các thông số ................................................................................. 671
4.2.3 Phương pháp xác định hệ số. ......................................................... 68
4.3 Kế quả thử nghiệm ........................................................................... 69
4.3.1 Xác định Kp ........................................................................................ 69
4.3.2 Xác định Kd ........................................................................................ 74
4.3.3 Xác định Ki ........................................................................................ 77
4.3.4 Kết quả thực nghiệm nhiệt độ dịch truyền đầu ra .............................. 78
KẾT LUẬN ....................................................................................................... 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 85
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 2
5
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ADC: Analog to Digital Converter bộ chuyển đổi tương tự - số.
CNC: Computerized Numerically Controlled y 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 lệ.
P: Proportional tỉ lệ.
PWM: Pulse Width Modulation module điều khiển độ rộng xung.
TE: ThermoElectric.
6
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1: Mô hình máy sưởi ấm dịch truyền ....................................................... 16
Hình 2: Máy sưởi ấm dịch truyển tốc độ cao .................................................... 17
Hình 3: Thiết bị sưởi ấm dịch truyền tốc độ thấp............................................... 18
Hình 4: Đồ thị thể hiện nhiệt độ dịch truyền tại đầu ra ...................................... 16
Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển PID............................................................ 21
Hình 1.2 Sơ đồ khối khâu P ................................................................................ 22
Hình 1.3 Đáp ứng khâu P ................................................................................... 22
Hình 1.4 Đáp ứng của khâu I và PI .................................................................... 23
Hình 1.5 Đáp ứng khâu D và PD ........................................................................ 24
Hình 1.6 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID ............................................................. 24
Hình 1.7 Đáp ứng bộ PID ................................................................................... 25
Hình 1.8 Sơ đồ khối PID .................................................................................... 26
Hình 1.9 Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ a ..................... 28
Hình 1.10 Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ b……………29
Hình 1.11 Mô hình điều khiển với K
gh
............................................................... 31
Hình 1.12 Xác định hệ số khuếch đại tới hạn………………………………….31
Hình 1.13 Tản nhiệt ........................................................................................... 32
Hình 1.14 Tản nhiệt 2 ........................................................................................ 32
Hình 1.15 Tản nhiệt 3 ......................................................................................... 32
Hình 1.16 Đối lưu nhiệt trong thùng chứa ......................................................... 33
Hình 1.17 Keo tản nhiệt ..................................................................................... 33
Hình 1.18 Tác dụng keo tản nhiệt cho làm mát ................................................. 34
Hình 1.19 Tác dụng của keo tản nhiệt làm mát CPU ......................................... 34
Hình 2.1 Sơ đồ khối thiết bị ............................................................................... 33
Hình 2.2 Vi điều khiển AT89C52 ...................................................................... 33
Hình 2.3 USB trong vi điều khiển AT89C52 ..................................................... 34
Hình 2.4 Sơ đồ chân vi điều khiển AT89C52 .................................................... 35
Hình 2.5 Cấu tạo của Peltier ............................................................................... 37
Hình 2.6 Sự truyển tải nhiệt ............................................................................... 37
Hình 2.7 Thông số và hình ảnh của Peltier ........................................................ 38
Hình 2.8 Đặc tuyến của peltier cool TEC 12706 ............................................... 39
7
Hình 2.9 Nhiệt điện trở NTC .............................................................................. 44
Hình 2.10 Đồ thị mối quan hệ của R và R
0
........................................................ 41
Hình 2.11 IC 7805 .............................................................................................. 45
Hình 2.12 Mosfet IRFZ44N ............................................................................... 47
Hình 2.13 Màn hình hiển thị LDC 16x2 ............................................................ 47
Hình 2.14 IC 7805 .............................................................................................. 50
Hình 2.15 Mos Fet TRFZ 44N ........................................................................... 50
Hình 2.16 Thông số và sơ đồ chân của MOSFET .............................................. 47
Hình 2.17 Sơ đồ chân của TLP250 .................................................................... 47
Hình 2.18 Giao diện chính của phần mềm ......................................................... 48
Hình 2.19 Màn hình khởi động của phần mềm Proteus ..................................... 48
Hình 2.20 Giao diện khi khởi động của orcad ................................................... 49
Hình 2.21 Giao diện Capture của Orcad ............................................................ 49
Hình 2.22 Giao diện layout của Orcad ............................................................... 50
Hình 2.23 Chọn PIC Wizard .............................................................................. 50
Hình 2.24 Giao diện khởi động của SolidWorks ............................................... 51
Hình 3.1 Mạch nguyên lý khối nguồn ............................................................... 52
Hình 3.2 Mạch nguyên lý khối cảm biến ........................................................... 53
Hình 3.3 Mạch nguyên lý khối công suất và khối gia nhiệt ............................... 55
Hình 3.4 Mạch nguyên lý khối vi điều khiển ..................................................... 61
Hình 3.5 Thiết kế chi tiết khối hiển thị............................................................... 62
Hình 3.6 Mạch nguyên lý tổng thể ..................................................................... 63
Hình 3.7 Mô hình thiết bị khi lắp tấm gia nhiệt ............................................... 614
Hình 3.8 Đáy vỏ ................................................................................................. 61
Hình 3.9 Nắp trên của v .................................................................................... 62
Hình 3.10 Mô hình vỏ gỗ tổng thể ..................................................................... 62
Hình 3.10 Bản vẽ chi tiết của tấm gia nhiệt bản 1 ............................................. 63
Hình 3.13 Bản vẽ chi tiết tấm gia nhiệt bản 2 .................................................... 63
Hình 3.14 Vỏ gỗ thiết bị sưởi ấm dịch truyền .................................................... 64
Hình 3.15 Tấm gia nhiệt bằng nhôm .................................................................. 64
Hình 3.16 Sản phẩm thiết bị sưởi ấm dịch truyền .............................................. 65
Hình 4.1 Sơ đồ gia công khối mạch ................................................................... 66
8
Hình 3.2 Mạch in thiết kên trên Orcad ............................................................... 66
Hình 3.3 Mạch được thi công thực tế ................................................................. 67
Hình 3.4 Lưu đồ chương trình PID .................................................................... 67
Hình 3.5 Đồ thị quá trình xác lập điều khiển PID ............................................. 68
Hình 4.6 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số K
p
=1 .............. 70
Hình 4.7 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp=2 .............. 70
Hình 4.