Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI--- TRẦN QUANG HẢITHIẾT KẾ BỘ GIA NHIỆT BẢO QUẢN HÓA CHẤT TRONG CÁC THIẾT BỊ XÉT NGHIỆM ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HIỆU ỨNG NHIỆT ĐIỆ
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, bao gồm các chức năng như phòng bệnh, chữa bệnh, xét nghiệm, bảo quản mẫu, sát trùng và tẩy uế Các hóa chất y tế 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 nhất định.
Chất lượng và thời hạn sử dụng của hóa chất chịu tác động 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 và làm bốc hơi các hóa chất dễ bay hơi, do đó, việc duy trì hóa chất ở một khoảng nhiệt độ nhất định, thường là thấp, là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả tác động của chúng.
- Các hóa chất thường là nh ng ho t ch t có ho t tính m nh ữ ạ ấ ạ ạ
- D xễ ảy ra các phả ứn ng hoá h c nguy hi m ọ ể
- Có m t s hoá ch t d cháy n khi va chộ ố ấ ễ ổ ạm, cũng như khi gặ ửp l a, gặ ẩp m
Một số hóa chất dễ bay hơi có thể tạo ra hơi độc, gây ăn mòn kim loại và làm hỏng bao bì xung quanh Khi nồng độ của các hóa chất này đạt đến một mức độ nhất định, chúng có khả năng gây ra cháy nổ.
Việc sử dụng các hóa chất y tế đòi hỏi phải tuân thủ nghiêm ngặt các nguyên tắc bảo quản nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả Các đặc điểm của hóa chất này yêu cầu người sử dụng phải nắm rõ cách thức bảo quản đúng cách để tránh những rủi ro không đáng có.
- 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 ẩ m, áp su t,… ấ
- Làm t t công tác vố ệsinh đểđảm bảo môi trường không khí theo đúng yêu cầu
- Các lo i hóa ch t phạ ấ ải có đủ nhãn mác theo quy định
- Kiểm tra loại bỏ các hóa chất đã hết hạn sử ụng, không đả d m bảo các điều ki n b o qu n và b ệ ả ả ị rò rỉ trong quá trình lưu trữ
1.1.1 Nhóm hóa ch ất điề u tr ị Đối v i nhóm hóa ch t này, ch y u là các lo i thuớ ấ ủ ế ạ ốc điều tr , các lo i hóa ị ạ chất để điề u tr ị ung thư Trong đó, chủ ế y u là các chất phóng x ạ dùng để tiêu di t t ệ ế bào ung thư, chúng có thể được dùng để chi u t bên ngoài ho c u ng, tiêm vào ế ừ ặ ố trong cơ thể Các lo i hóa ch t phóng x ạ ấ ạ thường được b o qu n trong các bình ch a ả ả ứ làm bằng các vật liệu không bị ăn mòn cũng như không để ọ l t các tia xạ ra ngoài
Một số ạ lo i hóa chất phóng xạ điển hình như Co 60 , I 131 ,… được b o qu n trong các ả ả bình h p kim nhôm b c chì ợ ọ
1.1.2 Nhóm hóa ch t sát trùng, t ấ ẩ y u ế
Trong y tế, các loại hóa chất sát trùng và tiêu uế rất phổ biến Để ngăn ngừa nhiễm trùng cho bệnh nhân với các vết thương, cần sử dụng thuốc sát trùng Đồng thời, việc áp dụng các hóa chất tiêu uế là cần thiết để ngăn chặn sự lây lan của bệnh tật, đặc biệt là các bệnh truyền nhiễm Các hóa chất này nên được bảo quản ở nơi khô ráo, thoáng mát, ở nhiệt độ phòng và tránh ánh nắng trực tiếp.
1.1.3 Nhóm hóa ch t xét nghi m ấ ệ
Hóa chất xét nghiệm là thành phần thiết yếu trong các xét nghiệm y tế, ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả của quá trình xét nghiệm Chất lượng hóa chất đóng vai trò quan trọng, và việc bảo quản không đúng cách có thể dẫn đến kết quả sai lệch, ảnh hưởng đến chẩn đoán và điều trị của bác sĩ Do đó, cần tuân thủ quy trình bảo quản nghiêm ngặt để đảm bảo độ chính xác của các xét nghiệm y tế.
2 0 C đến 15 0 C, với nhiệt độ chuẩn là 8 0 C, ngoại trừcác loại hóa chất đặc biệt cho
QC (Quanlity control), C (Calibrati) ph i bả ảo quả ởn nhiệt độâm 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 ụ d ng cho xét nghi m): ệ
Sử dụng tủ lạnh chuyên dụng giữ nhiệt độ từ 0°C đến 15°C với hệ thống quạt đối lưu, đảm bảo nhiệt độ ổn định cho các khoang chứa hóa chất, với nhiệt độ tối ưu đạt chuẩn là 8°C.
+ Sử ụ d ng t l nh dân d ng nhiủ ạ ụ ệt độ ừ 0°C đến 15°C thông thườ t ng không có quạt đối lưu.
+ Sử ụ d ng t l nh âm sâu - ủ ạ 25°C đến - 30°C để ả b o qu n các hóa ch t cho ả ấ chu n máy (QC), và control máyẩ , các mẫu cần lưu trữ ả b o qu n lâu ngày ả
Trong các thiết bị xét nghiệm như sinh hóa, miễn dịch, và sinh học phân tử, hóa chất được đóng gói trong các hộp với dung tích khác nhau, được sắp xếp theo quy định trong khay hóa chất của máy Nhiệt độ bảo quản được duy trì từ 2°C đến 15°C, với tiêu chuẩn lý tưởng là 8°C, sử dụng nguyên lý máy nén khí gas như một tủ lạnh mini trong hệ thống máy xét nghiệm có dung tích từ 15 đến 20 lít Gần đây, nhờ ứng dụng công nghệ bảo quản hóa chất hiệu quả, hệ thống làm lạnh bằng máy nén và khí gas đã được cải tiến, giúp tăng tuổi thọ, độ ổn định nhiệt độ và giảm độ ồn Kích thước của các thiết bị xét nghiệm sinh hóa hiện đại như AU 400, AU 640 (Olympus), AU 2700 (Beckman Counter), máy xét nghiệm đông máu, và hệ thống xét nghiệm PCR cũng đã được cải thiện đáng kể.
Các hóa chất sử dụng trong thiết bị xét nghiệm sinh hóa rất đa dạng và phong phú, nhưng có thể phân loại thành một số 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 Khi chưa mở nắp, chúng có thể sử dụng tối đa từ 8 tháng đến 12 tháng kể từ ngày sản xuất Sau khi mở nắp, hóa chất sẽ ổn định trong 60 ngày.
- Hóa chất pha loãng: dùng để pha loãng trong phân tích huy t h ế ọc.
- Hóa ch t ly giấ ải: dùng để ly gi i trong phân tích huyả ết học.
- Hóa ch t rấ ửa: dùng để ử r a và bảo qu n thiả ết bị
1.1.3.2 Hóa chất xét nghiệm miễn dịch
Các loại hóa chất xét nghiệm miễn dịch bao gồm các chất tương ứng để kiểm tra các thông số như Free T3, T4, HIV, HbsAg, HCG, FSH, TSH, và Insulin Những hóa chất này có yêu cầu đặc biệt trong bảo quản, đặc biệt là đối với nhóm hóa chất xét nghiệm huyết học.
1.1.3.3 Hóa chất xét nghiệm sinh hóa
Tính năng của mộ ốt s hóa ch t tiêu bi u dùng trong xét nghi m sinh hóa ấ ể ệ được ch ỉ ra dưới đây:
Albumin (ALB) đóng vai trò quan trọng trong việc xác định nồng độ ALB trong cơ thể, từ đó hỗ trợ chẩn đoán các bệnh viêm mãn tính, bệnh collagen, và các rối loạn liên quan đến gan và thận Để sử dụng hóa chất này, huyết tương hoặc huyết sẽ được trộn với dung dịch bromocresol green (BCG), và sau đó tiến hành đo độ hấp thụ của phức hợp tạo thành.
Calcium (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, xương, thận mãn tính và bệnh uống ván Để sử dụng hóa chất này, ion canxi tạo phức hợp màu tím với o cresolphthalein trong môi trường kiềm, và độ hấp thụ của phức hợp này được đo để phân tích kết quả.
Amylase (AMYLA) đóng vai trò quan trọng trong việc xác định nồng độ amylase trong cơ thể, hỗ trợ chẩn đoán và theo dõi viêm tụy cấp tính Để sử dụng hóa chất này, ethylidene blocked p-nitrophenyl-maltoheptaoside được dùng làm chất nền, trong khi enzyme chỉ thị alpha glucosidase được áp dụng để giải phóng p-nitrophenol Cuối cùng, độ hấp thụ của phức hợp này được đo để đánh giá kết quả.
Các phương pháp làm lạnh bảo quản hóa chất
2.1 Giới thiệu chung về pin petiler
Vào năm 1821, ông Seebeck phát hiện hiện tượng nhiệt điện khi kết nối hai sợi dây đồng và sắt, với một mối nối nhúng vào nước đá và mối nối còn lại vào 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 diễn ra như sau: Khi hai nhiệt độ T1 và T2 bằng nhau, kim điện kế G sẽ chỉ 0, nhưng khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa T1 và T2, kim điện kế G sẽ lệch khỏi 0 Sự xuất hiện của suất điện động nhiệt điện có thể được giải thích bằng việc hai thanh kim loại khác nhau có mật độ electron khác nhau Cụ thể, gọi 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 thanh kim loại A và B (giả sử n1 > n2), số electron di chuyển từ A sang B sẽ nhiều hơn số electron từ B sang A trong cùng một khoảng thời gian Điều này dẫn đến việc đầu A thiếu electron, tích điện dương, trong khi đầu B thừa electron, tích điện âm Kết quả là xuất hiện suất điện động giữa hai thanh kim loại, được gọi là suất điện động nhiệt.
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, khiến các điện tử dịch chuyển và tạo ra 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 cho thấy rằng khi hai nhiệt độ T1 và T2 bằng nhau, kim điện kế G sẽ chỉ 0, nhưng khi có sự chênh lệch nhiệt độ, 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 Cụ thể, n1 là mật độ electron của thanh kim loại A, trong khi n2 là mật độ của thanh kim loại B.
Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu A và B (giả sử n1 > n2), số electron di chuyển từ A sang B sẽ nhiều hơn so với số electron di chuyển ngược lại Kết quả là đầu A thiếu electron, gây ra điện tích dương, trong khi đầu B thừa electron, dẫn đến điện tích âm Hiện tượng này tạo ra suất điện động giữa hai thanh kim loại, được gọi là suất điện động nhiệt điện, và dòng điện sinh ra từ hiện tượng 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 :
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 trong một mạch điện kín khi có hai vật dẫn khác nhau, với hai mối hàn được giữ ở hai nhiệt độ khác nhau, dẫn đến sự tạo thành suất điện động nhiệt điện.
2.1.2 Hiệu ứng Peltier (Hiệu ứng nhiệt điện ngược)
Hiệu ứng Peltier, được phát hiện bởi thợ đồng hồ người Pháp Jean Charles Athanase Peltier vào năm 1834, xảy ra khi một mạch điện kín được tạo thành từ hai loại vật liệu dẫn điện khác nhau Khi dòng điện chạy qua, một mối nối sẽ hấp thụ nhiệt và trở nên lạnh, trong khi mối nối còn lại sẽ bức xạ nhiệt và nóng lên Các thành phần chính của hệ thống tạo hiệu ứng Peltier được minh họa rõ ràng trong hình 2.2.
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 dịch chuyển của các điện tử tạo ra chênh lệch nhiệt độ tại các điểm nối 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.
Trong đó: - Q là nhiệt lượng hấp thụ hay bức xạ ở mỗi đầu nối [J];
- I là giá tr ị cường độ dòng điện [A];
- П= α ì T là h s Peltier [ àV], ệ ố trong đú:
- α là hệ ố s nhiệt điện động [ ]
- T là nhiệt độ ại đầ t u n i [ °K] ố
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 được hút về phía cực âm của nguồn điện Dòng nhiệt trong bán dẫn loại P chảy theo hướng của dòng lỗ trống, ngược với chiều của dòng electron.
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 việc bơm nhiệt lớn chỉ bằng một viên bán dẫn là không khả thi Do đó, cần kết hợp nhiều viên bán dẫn cùng loại theo cấu trúc song song để tăng hiệu quả Mặc dù lý thuyết cho thấy điều này khả thi, nhưng trong thực tế, một viên bán dẫn chỉ có thể hoạt động với điện áp khoảng vài chục mV và tiêu thụ dòng điện đáng kể Ví dụ, một viên bán dẫn thông thường tiêu thụ ít nhất 5A với điện áp 60mV; nếu kết nối song song 254 viên, thiết bị sẽ tiêu thụ hơn 1270A với chỉ 60mV, giả sử nguồn cung cấp có khả năng đáp ứng.
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 tạo ra song song Chúng ta có thể kết nối các viên bán dẫn theo hình zích zắc để tạo ra mạch nối tiếp Tuy nhiên, các mối liên kết giữa các viên bán dẫn làm ngắn nhiệt và ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của thiết bị, dẫn đến việc không thể chế tạo một thiết bị thực tế.
Hình 2.6: Kết nối nối tiếp về điện và nhiệt tạo ra song song của các viên bán dẫn loại N
Một giải pháp tối ưu hơn để nâng cao hiệu ứng nhiệt điện là kết hợp các viên bán dẫn loại N và loại P theo từng cặp, như minh họa trong hình 2.7.
Khi kết nối một cặp bán dẫn loại P và N, ta có thể tạo ra một dòng điện một chiều thông qua việc sắp xếp chúng với đầu tự do của bán dẫn N kết nối với cực âm và bán dẫn P với cực dương Các lỗ trống trong bán dẫn P bị đẩy ra xa bởi cực dương, trong khi electron trong bán dẫn N bị hút về phía cực dương Electron di chuyển qua thanh dẫn mạ đồng, chạy qua các lỗ trống trong bán dẫn P, tạo ra một dòng điện liên tục từ cực âm đến cực dương Việc sử dụng hai loại bán dẫn khác nhau cho phép dòng điện và nhiệt chảy theo một hướng, từ đó tạo ra các mô đun nhiệt điện thực tế Các thiết bị này không chỉ bơm nhiệt hiệu quả mà còn tương thích với nguồn điện một chiều, thường hoạt động từ 12V đến 16V và tiêu thụ chỉ 4A đến 5A Cấu trúc kết nối xen kẽ giữa các viên bán dẫn P và N là nền tảng cho thiết kế của tấm Peltier.
Hình 2.8: Kết nối nhiều viên bán dẫn P và N b Cấu trúc của tấm peltier
Tấm Peltier được cấu tạo từ ma trận các viên bán dẫn Bismuth, với mỗi loại mang dấu âm hoặc dương, giúp tối ưu hóa khả năng dẫn điện Cặp P N gồm một viên bán dẫn loại P và một viên loại N, được kết nối bằng thanh đồng, cho phép điện được nối tiếp trong khi nhiệt được tạo ra theo hướng song song Kết nối này giúp thiết bị có khả năng bơm nhiệt hiệu quả Tấm Peltier được thiết kế với hai điện cực để kết nối với nguồn điện một chiều, và các viên bán dẫn được bảo vệ bởi lớp gốm bên ngoài.
Giá trị dòng điện lớn nhất (Imax) và điện áp lớn nhất (Vmax) không phải là các chỉ số đánh giá tối đa cho hiệu suất của tấm Peltier Việc cung cấp Imax và Vmax cho tấm Peltier không đảm bảo tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ lớn nhất giữa hai bề mặt Do đó, trong các ứng dụng của tấm Peltier, việc sử dụng các giá trị này cần được cân nhắc kỹ lưỡng để đạt hiệu quả tối ưu.
Để đạt hiệu quả tối ưu, giá trị dòng điện và điện áp tối đa cần đạt khoảng 70% 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 ra các tác động tiêu cực tại các mối hàn kết nối trên bán dẫn, thậm chí phá hủy chúng và làm 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 bằng 0 (W) Khi sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt giảm xuống 0 (°C), nhiệt lượng hấp thụ tối đa (Qmax) đạt được Do đó, sự chênh lệch nhiệt độ càng thấp thì nhiệt lượng hấp thụ càng cao 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 bức xạ nhiệt và trở nên nóng, tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt Tuy nhiên, nếu dòng điện tiếp tục chạy, nhiệt bức xạ có thể vượt quá nhiệt hấp thụ, khiến cả hai mặt đều nóng Để duy trì hiệu quả 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 giúp mặt lạnh duy trì nhiệt độ thấp, 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 nhiệt được hấp thụ tại một bề mặt của gốm bảo vệ và bức xạ ở bề mặt còn lại Kết quả là bề mặt hấp thụ trở nên lạnh, trong khi bề mặt bức xạ trở nên nóng Việc đảo chiều dòng điện sẽ làm đảo ngược bên nóng và bên lạnh Hình 2.10 minh họa hoạt động của tấm Peltier, trong khi hình 2.11 mô tả đường đi của 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, đồng thời nêu rõ 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 đều trên bề mặt Việc sử dụng tấm tản nhiệt bằng nhôm không chỉ nâng cao hiệu quả tản nhiệt mà còn giúp làm mát mặt nóng nhanh chóng hơn.
+ 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 chứa hóa chất, gửi tín hiệu về vi điều khiển để hiển thị nhiệt độ lên màn hình LCD Điều này giúp người dùng kiểm soát hiệu quả nhiệt độ của hóa chất đang được bảo quản.
Bộ làm lạnh hóa chất được lắp đặt bên dưới khay đựng 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 làm lạnh 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 đóng vai trò quan trọng trong hệ thống làm lạnh bảo quản hóa chất Việc thiết kế và tính toán khối này cần đảm bảo dải nhiệt độ bảo quản cho buồng chứa hóa chất từ 2 đến 15°C, với nhiệt độ chuẩn là 8°C.
Khối làm lạnh hoạt động với nhiệt độ mặt nóng, nhiệt độ cần làm lạnh và nhiệt độ môi trường Biểu đồ tương quan thể hiện mối quan hệ giữa các thông số của bộ làm lạnh, như được trình bày trong hình 3.6.
Tấm CP60440 có điện áp tối đa sử dụng là 15,4V, nhưng nhà sản xuất khuyến cáo chỉ nên sử dụng 70%, do đó điện áp tối ưu là 12V Khi cung cấp điện áp 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, với ∆T = 40°C (từ 50°C xuống 10°C), ta suy ra dòng điện I đạt 3,9 A.
1) Hệ số truyền nhiệt của nhôm λ : = 238 (W/m°C), bềdày của nhôm t 0,001 (m)
2) Diện tích bề mặt của hộp được tính theo công thức:
Khối mạch nguồn
Hệ số truyền nhiệt mặt trong là chỉ số quan trọng, phản ánh khả năng 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 chuyên biệt.
4) Nhiệt đưa vào từ ngu n nhi t bên ngoài: ồ ệ
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 ạo ra độ t chênh lệch nhiệt độ 20°C với độ ấ h p thụ nhiệt là 9W, mà 15,9 / 9 ≈ 2, tức là cần hai tấm peltier CP60440 để làm l nh cho buạ ồng đựng hóa ch t có th duy trì nhiấ ể ệt độ ả b o qu n t 2 – 15 °C ả ừ
- 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
V i nh ng mớ ữ ạch điện không đòi hỏi độ ổn định của điện áp quá cao, s d ng ử ụ
IC ổn áp là thiết bị được sử dụng phổ biến trong mạch điện nhờ vào tính đơn giản và hiệu quả của nó Các loại IC ổn áp thường gặp bao gồm 78xx và 79xx, trong đó "xx" biểu thị điện áp cần ổn định Ví dụ, IC 7805 cung cấp điện áp ổn định 5V cho các ứng dụng điện tử.
7805 n áp 5V, 7808 n áp 8V, 7812 n áp 12V hay ổ ổ ổ ổn áp điện áp âm có 7905 n ổ áp điện áp -5V, 7912 n áp -12V ổ
+ Họ 78xx là h cho ọ ổn định điện áp đầu ra là dương Còn xx là giá trị điện áp đầu ra như 5V, 6V
+ Họ 79xx là h ọ ổn định điện áp đầu ra là âm Còn xx là điện áp đầu ra như: -5V, - 6V
S k t h p c a hai con này s tự ế ợ ủ ẽ ạo ra được bộ nguồn đố ứi x ng
V m t nguyên lý nó hoề ặ ạt động tương đối gi ng nhau Bây gi ta xét t ng IC 78xx, ố ờ ừ 79xx
78xx là lo i dòng IC dùạ ng để ổn định điện áp dương đầu ra, với điều kiện đầu vào luôn luôn > đầu ra 3V
Tùy lo i IC 78xx mà nó ạ ổn áp đầu ra là bao nhiêu
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 hoạt động bằng cách sử dụng điện trở R2 và diode D1 để duy trì điện áp ổn định tại chân Rt của transistor Q1 Khi điện áp tại chân E của transistor Q1 giảm, điện áp UBE sẽ tăng lên, từ đó điều chỉnh và ổn định điện áp đầu ra.
=> dòng qua đèn Q1 tăng => làm điện áp chân E của đèn tăng , và ngượ ạc l i
Chú ý: Điện áp đặt trước IC 78xx ph i lả ớn hơn điện áp c n n áp t 3V tr lên ầ ổ ừ ở
LA7824 IC n áp 24V ổ Đây là dòng cho điện áp ra tương ứng v i dòng là 1A Ngoài ra còn các seri khác ớ chịu được dòng
78Lxx Chuyển đổi điện áp dương từ +5V > +24V Dòng 0.1A
78Mxx Chuyển đổi điện áp dương t +5V > +24V Dòng 0.5A ừ
78Sxx Chuyển đổi điện áp dương từ +5V > +24V Dòng 0.2A
Dòng IC 79xx là loại IC dùng để ổn định điện áp âm đầu ra, yêu cầu điện áp đầu vào phải lớn hơn hoặc bằng 3V so với đầu ra Ví dụ, để sử dụng IC 7912 cho điện áp đầu ra -12V, điện áp đầu vào cần phải đạt tối thiểu -15V Nếu điện áp đầu vào thấp hơn mức này, có thể gây hư hỏng cho IC Mỗi loại IC 79xx sẽ có mức điện áp đầu ra ổn định khác nhau.
- V nguyên lí hoề ạt động và seri của IC 79xx tương đối giống vơi IC 78xx
- H IC 79xx gọ ồm có3 chân: (Sơ đồ chân khác v i 78xx) ớ
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 h 79xx thọ ực tế
S d ng k t h p IC h 78xx và h ử ụ ế ợ ọ ọ 79xx để ạ t o nguồn đối xứng
Chú ý: Để đả m b o m ch ngu n ch y trong th i gian lâu, yêu c u bi n áp lo i ả ạ ồ ạ ờ ầ ế ạ t t và có l p t n nhi t cho IC n áp.ố ắ ả ệ ổ
3.2.2 Khối nguồn 24 VDC – 5A : sử dụng bộ nguồn có sẵn trên thị trường
Khối nguồn 24 VDC, 5 dùng để cung cấp điện áp cho 01 cặp PeltielA
Hình 3.6 Module khối nguồn 24 VDC
3.3 Khối công suất và kh i cáố ch ly quang
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý khối công suất và cách ly quang
Kh ố i công suất và khối cách ly quang
Hình 3.8: S ơ 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 diot 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 một khối có công suất nhỏ và một khối có 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 sẽ kích hoạt hai cực của photodiode, cho phép dòng điện chạy qua.
Sơ đồ ứng dụng trong Hình 3.9 cho thấy tác dụng của việc cách ly điều khiển giữa hai tầng mạch điện khác nhau Khi cung cấp 5V vào chân số 1 của mạch, LED bên trong Opto sẽ sáng, tạo ra hiệu ứng quang điện Kết quả là mức logic sẽ chuyển từ 1 sang 0 mà không cần tác động trực tiếp từ IC.
Trong lĩnh vực điện tử, bộ cách ly quang (opto isolator) là linh kiện quan trọng giúp 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, thường là photodiode hoặc phototransistor, được tích hợp trong một vỏ bọc kín Opto thường được sử dụng trong các hệ thống điện tử công suất lớn để ngăn chặn các xung điện áp cao, bảo vệ các mạch điều khiển công suất nhỏ trên bo mạch khỏi hư hỏng.
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 của LED 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 tử và 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 LM35 DZ, được sử dụng để đo nhiệt độ môi trường Các đầu ra của các cảm biến này sẽ được đưa vào bộ MUX để xử lý.
Diode Zener có cấu trúc tương tự như diode thông thường, nhưng được sử dụng chủ yếu trong chế độ phân cực ngược Khi phân cực thuận, diode Zener hoạt động giống như một diode bình thường Tuy nhiên, khi phân cực ngược, diode Zener giữ một mức điện áp cố định, tương ứng với giá trị được 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.
Khi diode Zener được phân cực thuận, nó hoạt động như một diode thông thường Trong chế độ phân cực nghịch, ban đầu chỉ có một dòng điện nhỏ qua diode Tuy nhiên, khi điện áp nghịch đạt đến giá trị thích hợp, tức là Vngược = Vz (với Vz là điện áp Zener), dòng điện qua diode tăng mạnh, trong khi hiệu điện thế giữa hai đầu diode gần như không thay đổi, được gọi là hiệu thế Zener.
3.4.1 Các đặc điể m chung c ủ a c m bi ả ế n nhi ệt độ LM35 DZ
Hình 3.12 Cảm biến nhiệt độ LM 35 DZ
+ Chân 1 : Chân ngu ồ n đ ầ u vào Vcc
+ Chân 2 : Chân đầ u ra Vout
Cảm biến LM35 là một bộ cảm biến nhiệt độ chính xác cao, với điện áp đầu ra tuyến tính tỉ lệ thuận với nhiệt độ đo được theo thang độ Celsius Đặc biệt, cảm biến này không yêu cầu hiệu chỉnh ngoài vì đã được hiệu chỉnh sẵn từ nhà sản xuất.
+ Đi n áp đ ệ ầ u vào t 4VDC ừ đế n 30VDC
+ Đ ộ phân gi ả i đi ệ n áp đ ầ u ra là 10mV/oC
+ Độ chính xác cao ở 25 C là 0.5 C
+ Tr ở kháng đ ầ u ra th ấ p 0.1 cho 1mA t ả i
D ả i nhi ệt độ đo đượ c c a LM35 là t ủ ừ -55 C 150 C v - ớ i các m ức điệ n áp ra khác nhau Xét m ộ ố ứ t s m c đi ệ n áp sau :
- Nhi ệ ộ t đ 55 C điệ - n áp đ ầ u ra -550mV
- Nhi ệ ộ t đ 25 C điện áp đầ u ra 250mV
- Nhi ệ ộ t đ 150 C điệ n áp đ ầ u ra 1500mV
Tùy theo cách m ắ c c ủ a LM35 đ ể ta đo các giả i nhi ệ ộ t đ phù h ợ p Đ ố ớ ệ i v i h th ố ng này th ì đo từ 0 đ ế n 150
Ta có hàm truy ề n sau:
T ừ hàm truy ề n trên ta có :
V ới K là điện áp đầ u ra c ủ a LM35 : K = 10mV/oC t là nhi ệt độ môi trườ ng [K]
Giá tr ị ADC đo đượ c t ừ giá tr ị ệ đi n áp đầ u vào
Giá tr ị nhi ệ ộ t đ đo đượ c: t = ADC_value * 2.44/10 (oC) c th
+ T ạ i 0 đ ộ C thì điệ n áp c ủ a LM35 là 10mV
+ T ại 150 đ C thì đi ộ ệ n áp c a LM35 là 1.5V ủ
==> Gi ả i đi ệ n áp ADC bi ến đổ i là 1.5 - 0.01 = 1.49 (V)
+ ADC 11 bit nên b ước thay đổ ủ i c a ADC là : n = 2.44mV
V ậ y sai s ố ủ c a h th ệ ố ng 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 năng cấp 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 chu kỳ lệnh 200ns Hệ thống có bộ nhớ chương trình 8Kx14 bit, bộ nhớ dữ liệu 368x8 byte RAM, và bộ nhớ dữ liệu EEPROM dung lượng 256x8 byte Ngoài ra, thiết bị có 5 PORT I/O 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 ngủ.
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 bộ nhớ 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 làm tăng đáng kể băng thông so với kiến trúc Von Neumann, nơi CPU phải truy cập chương trình và dữ liệu trên cùng một bus.
Việc phân tách bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu cho phép số bit của từ lệnh và dữ liệu không giống nhau Cụ thể, trong 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, đóng vai trò quan trọng trong bộ nhớ chương trình.
Vi điều khiển PIC16F877A sở hữu bộ nhớ chương trình flash với dung lượng 8K word (1 word = 14 bit), được chia thành các trang từ page 0 đến page 3 Bộ nhớ này có khả năng lưu trữ 8192 lệnh, do mỗi lệnh sau khi mã hóa chiếm 1 word (14 bit) Để mã hóa địa chỉ cho 8K word, bộ đếm chương trình sử dụng 13 bit (PC).
Khi vi điều khiển được reset, bộ đếm chương trình sẽ trỏ đến địa chỉ 0000h (Resetvector) Ngược lại, khi có ngắt xảy ra, bộ đếm chương trình sẽ chuyển đến địa chỉ 0004h (Interruptvector).
Bộ nhớ chương trình là một khu vực lưu trữ riêng biệt, không bao gồm bộ nhớ stack và không được truy xuất trực tiếp bằng bộ đếm chương trình Nội dung của bộ nhớ stack sẽ được trình bày chi tiết hơn trong phần tiếp theo của bài viết.
Hình 3.16 Bộ nhớ chương trình của Pic e Bộ nhớ dữ liệu
Bộ nhớ dữ liệu của PIC16F877A được tổ chức thành 4 bank, mỗi bank có dung lượng 128 byte Trong mỗi bank, các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR) nằm ở các địa chỉ thấp, trong khi các thanh ghi mục đích chung (GPR) chiếm các địa chỉ còn lại Các thanh ghi SFR thường xuyên sử dụng, như thanh ghi STATUS, được bố trí ở tất cả các bank để thuận tiện cho việc truy xuất và giảm bớt lệnh trong chương trình.
Hình 3.17: Bộ nhớ bộ nhớ của Pic f Các thanh ghi đặc bi tệ
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 INDFkhông phải là một thanh ghi vật lí Nó chứa giá trị của thanh ghi có địa 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 sinh ra 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 EEPROMhoàn 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 PORTBthay 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 chức năng 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 có trong thanh ghi PIE1.
Thanh ghi PIE2 (8Dh) chứa các bit điều khiển cho các ngắt của các khối chức năng như CCP2, SSP bus, 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 cho phép thông qua các bit điều khiển 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
PIC16F877A Stack có độ sâu 8 lớp
Stack là một vùng nhớ đặc biệt không cho phép đọc hay ghi, không nằm trong bộ nhớ chương trình hay bộ nhớ dữ liệu Khi lệnh CALL được thực hiện hoặc khi xảy ra ngắt làm chương trình bị rẽ nhánh, giá trị của bộ đếm chương trình PC sẽ được lưu vào stack Khi các lệnh RETURN, RETLW hoặc RETFIE được thi hành, giá trị PC sẽ được lấy ra từ stack, cho phép vi điều khiển tiếp tục thực hiện chương trình theo đúng qui trình đã định sẵn.
Bộ nhớ Stack trong vi điều khiển PIC họ 16F87xA có khả năng lưu trữ 8 địa chỉ và hoạt động theo cơ chế xoay vòng Khi lưu trữ giá trị thứ 9, nó sẽ ghi đè lên giá trị đầu tiên trong Stack, và giá trị thứ 10 sẽ ghi đè lên giá trị thứ hai.
Cần lưu ý rằng 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, dòng vi điều khiển PIC không hỗ trợ các lệnh POP hay PUSH, do đó, mọi thao tác liên quan đến bộ nhớ stack đều được điều khiển hoàn toàn bởi CPU.
Khối đo và hiển thị nhiệt độ
Khối đo và hiển thị nhiệt độ được sử dụng để đo và hiển thị nhiệt độ trong buồng hóa chất thông qua màn hình LCD Thiết bị này bao gồm các khối cơ bản giúp đảm bảo độ chính xác và hiệu quả trong việc theo dõi nhiệt độ.
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 PIC 16F877A, nơi xử lý dữ liệu và hiển thị kết quả trên màn hình LCD Đặc biệt, LM 35 DZ cung cấp đầu ra là tín hiệu số, do đó 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
Màn hình Text LCD là loại màn hình tinh thể lỏng nhỏ, chuyên dùng để hiển thị các ký tự và số trong bảng mã ASCII, phân biệt với Graphic LCD có khả năng hiển thị hình ảnh Mỗi ô của Text LCD chỉ hiển thị một ký tự ASCII và được cấu tạo từ các điểm tinh thể lỏng, việc kết hợp ẩn hiện các điểm này tạo ra ký tự cần hiển thị Các mẫu ký tự trên Text LCD đã 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 tối đa 16 ký tự, trong khi các kích thước phổ biến khác bao gồm 16×2, 16×4, 20×2, và 20×4 Trong luận văn này, loại LCD được sử dụng là 16×2, có hình dạng 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 để điều chỉnh độ tương phản của LCD Các chân RS, R/W và E được nối với các chân RD0, RD2 và RD3 ở cổng D của vi điều khiển Sử dụng chế độ giao tiếp 4 bit, các chân DB0-DB3 để hở, trong khi các chân DB4-DB7 được nối với các chân RD4-RD7 ở cổng D của vi điều khiển.
kết quả và bàn luận
Kết quả
4.1.1 Mục đích nghiên cứu của luận văn
Để cải thiện chất lượng bảo quản hóa chất trong các thiết bị xét nghiệm, bộ gia nhiệt ứng dụng công nghệ hiệu ứng nhiệt điện đã được thiết kế nhằm đảm bảo ổn định nhiệt độ Bộ gia nhiệt này có thể thay thế các thiết bị tương đương, giúp nhanh chóng khắc phục các sự cố hỏng hóc hoặc nâng cấp thiết bị.
- Nhiệt độ khay bảo quản hóa chất dao động từ 2 độ đến 15 độ
- Nhiệt độ mong muốn của nghiên cứu là 8 độ
4.1.2 Kết quả sản phẩm thực tế a Tấm nhôm tản nhiệt và khay được mẫu
Tấm tản nhiệt bằng nhôm được kết nối với mặt nóng của tấm Peltier, giúp phân tán nhiệt hiệu quả trên toàn bộ bề mặt Việc sử dụng tấm nhôm tản nhiệt không chỉ hỗ trợ làm mát nhanh chóng cho mặt nóng của tấm Peltier mà còn đảm bảo mặt lạnh của Peltier áp sát vào khay đựng hóa chất, tối ưu hóa khả năng tản nhiệt.
Hình 4.1 tấm nhôm tản nhiệt và khay đựng hóa chất b Tấm Pelier sử dụng 02 tấm
- Sử dụng 2 tấm Peltier mắc nối tiếp nhau
- Cường độ dòng điện tối đa: 5 A
- Điện áp tối đa: 15,4 V (dòng 1 chiều DC)
Hình 4.2 Tấm peltier c Khối nguồn sử dụng loại khối nguồn có bán sẵn trên thị trường
Nhằm ổn định công suất đầu ra khi các tấm Peltier hoạt động
E Khối cách ly quang Được sử dụng để các ly giữa các khối chênh lệch nhau về điện hay công suất như khối có công suất nhỏ với khối điện áp lớn.
Hình 4.5 Mạch cách ly quang
F Khối cảm biến nhiệt độ
Hình 4.6 mạch cảm biến nhiệt độ
Đánh giá chung: kỹ thuật, công nghệ
Bảng so sánh tính năng kỹ thuật giữa bộ làm lạnh nguyên bản và bộ làm lạnh sau khi thiết kế
Bộ làm lạnh nguyên bản Bộ làm lạnh sau khi thiết kế
Nhiệt độ tại buồng ủ hóa chất
Bảng 4.1 So sánh nhiệt độ
Nhiệt độ 8 độ C trong buồng ủ hóa chất là yếu tố quan trọng để đảm bảo các thiết bị xét nghiệm như sinh hóa, miễn dịch và PCR hoạt động chính xác theo đúng thông số kỹ thuật.
- Về công nghệ tác giả đã sử dụng và làm chủ được công nghệ hiệu ứng nhiệt điện của các tấm pin Peltier
4.2.1 Những hạn chế của đề tài
Việc bảo quản hóa chất xét nghiệm hiệu quả chỉ khả thi khi lưu trữ với số lượng ít và không đa dạng Khi lượng hóa chất lớn, việc bảo quản trở nên khó khăn hơn do nhiệt độ không ổn định, điều này có thể ảnh hưởng đến chất lượng hóa chất và kết quả xét nghiệm.
- Đối với các hóa chất chuyên dụng cần lưu trữ ở điều kiện đặc biệt như nhiệt độ âm sâu như 20 độ hay 30 độ đề tài không đáp ứng được– –
- Sai số nhiệt độ so với nhiệt độ chuẩn là 8 độ còn lớn (trong phạm vi 2 độ) do đó ảnh hưởng đến chất lượng hóa chất
- Do thời gian hoàn thành sản phẩm đến khi chạy thử ít nên chưa đánh giá được tính ổn định trong thời gian dài
4.2.2 Nguyên nhân của những hạn chế
Các tấm tản nhiệt và khay hóa chất được tái sử dụng từ các thiết bị y tế hỏng và thanh lý tại Bệnh viện TWQĐ 108, không được thiết kế theo lý thuyết.
- Các linh kiện điện tử tại thị trường trong nước chất lượng không cao ảnh hưởng đến độ ổn định của nhiệt độ
Hướng phát triển của đề tài
Hiện nay, các thiết bị có khả năng hoạt động như bộ gia nhiệt để bảo quản các máy xét nghiệm sinh hóa và xét nghiệm miễn dịch, đảm bảo duy trì nhiệt độ tiêu chuẩn 8 độ C.
Luận văn có thể ứng dụng phát triển các lĩnh vực như
Thiết kế các tủ lạnh mini chuyên dụng để vận chuyển hóa chất và vắc xin trên xe cấp cứu lưu động, sử dụng nguồn điện 12VDC trực tiếp từ xe ô tô, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình vận chuyển.
- Thi t k ế ế túi chườm nóng, chườm l nh s d ng các pin nhiạ ử ụ ệt điện Peltier
- Thi t k ế ếcác bộ ổn nhiệt 37 độ