1. Trang chủ
  2. » Luận Văn - Báo Cáo

Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật y sinh: Thiết kế và thi công hệ thống chăn sưởi cho bệnh nhân sau phẫu thuật

132 3 0
Tài liệu đã được kiểm tra trùng lặp

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Thông tin cơ bản

Tiêu đề Thiết Kế Và Thi Công Hệ Thống Chăn Sưởi Cho Bệnh Nhân Sau Phẫu Thuật
Tác giả Nguyễn Thị Thanh Nhàn, Lê Ngọc Thảo My
Người hướng dẫn ThS. Ngô Bá Việt
Trường học Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành Kỹ Thuật Y Sinh
Thể loại Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản 2024
Thành phố Tp. Hồ Chí Minh
Định dạng
Số trang 132
Dung lượng 7,9 MB

Cấu trúc

  • Chương 1. TỔNG QUAN (19)
    • 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ (19)
    • 1.2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI (20)
    • 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU (20)
    • 1.4. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI (20)
    • 1.5. BỐ CỤC (21)
  • Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT (22)
    • 2.1. CHĂN SƯỞI CHO BỆNH NHÂN (22)
      • 2.1.1. Cấu tạo chăn sưởi (22)
      • 2.1.2. Nguyên lý hoạt động của chăn sưởi (23)
    • 2.2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID (24)
    • 2.3. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG (29)
      • 2.3.1. Vi điều khiển (29)
      • 2.3.2. Cảm biến nhiệt độ (30)
      • 2.3.3. Relay bán dẫn (Solid State Relay) (30)
      • 2.3.4. Thanh nhiệt điện trở (31)
    • 2.4. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM (32)
    • 2.5. CÁC CHUẨN GIAO THỨC (35)
      • 2.5.1. Giao thức I2C (35)
      • 2.5.2. Giao thức HTTP Request (35)
  • Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ (37)
    • 3.1. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG (37)
      • 3.1.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống (37)
      • 3.1.2. Tính toán và thiết kế mạch vòng tay đo thân nhiệt (38)
      • 3.1.3. Tính toán và thiết kế mạch hệ thống điều khiển trung tâm (48)
      • 3.1.4. Tính toán điều khiển PID (65)
    • 3.2. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TOÀN MẠCH (68)
      • 3.2.1. Sơ đồ nguyên lý của vòng tay đo thân nhiệt bệnh nhân (68)
      • 3.2.2. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển thổi khí trung tâm (68)
  • Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG (37)
    • 4.1. THI CÔNG HỆ THỐNG (70)
      • 4.1.1. Thi công vòng tay đo thân nhiệt bệnh nhân (70)
      • 4.1.2. Thi công hệ thống điều khiển trung tâm (72)
    • 4.2. ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH (75)
      • 4.2.1. Đóng gói và thi công vòng tay đo thân nhiệt (75)
      • 4.2.2. Đóng gói và thi công hệ thống điều khiển trung tâm (77)
      • 4.2.3. Đóng gói và thi công chăn (82)
    • 4.3. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG (84)
      • 4.3.1. Lưu đồ giải thuật (84)
      • 4.3.2. Phần mềm lập trình cho vi điều khiển (92)
      • 4.3.3. Phần mềm lập trình cho ứng dụng trên điện thoại (95)
  • Chương 5. KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ (0)
    • 5.1. KẾT QUẢ THI CÔNG MÔ HÌNH (104)
      • 5.1.1. Kết quả thi công vòng đo thân nhiệt (104)
      • 5.1.2. Kết quả thi công hệ thống điều khiển trung tâm (105)
      • 5.1.3. Kết quả thi công chăn sưởi (107)
      • 5.1.4. Chi phí thực hiện hệ thống (108)
    • 5.2. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM (109)
      • 5.2.1. Kết quả hoạt động của vòng tay đo thân nhiệt bệnh nhân (109)
      • 5.2.2. Kết quả vận hành hệ thống điều khiển trung tâm (111)
      • 5.2.3. Kết quả điều khí của chăn (113)
    • 5.3. NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ (0)
    • 5.4. THAO TÁC SỬ DỤNG (116)
  • Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN (117)
    • 6.1. KẾT LUẬN (117)
    • 6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN (118)
  • TÀI LIỆU THAM KHẢO (119)
  • PHỤ LỤC (122)

Nội dung

Ngoài ra hệ thống còn có vòng tay đo thân nhiệt gửi dữ liệu nhiệt độ của bệnh nhân về hệ thống điều khiển bằng phương thức HTTP POST để hệ thống chính có thể sử dụng nhiệt độ từ vòng tay

TỔNG QUAN

ĐẶT VẤN ĐỀ

Khoa học công nghệ đang thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, đặc biệt là với các thiết bị y tế hiện đại có khả năng tự động điều chỉnh theo yêu cầu người dùng Nghiên cứu tại Anh cho thấy việc làm ấm da bệnh nhân trước phẫu thuật có thể giảm hơn 60% nguy cơ nhiễm trùng vết mổ, đồng thời duy trì nhiệt độ cơ thể ổn định sau phẫu thuật là yếu tố quan trọng giúp hồi phục nhanh chóng Hạ thân nhiệt có thể làm chậm quá trình hồi phục, gia tăng nguy cơ nhiễm trùng và chi phí điều trị Sử dụng chăn sưởi là giải pháp hiệu quả để giữ nhiệt độ cơ thể ổn định, bảo vệ da và hỗ trợ quá trình lành tổn thương Chăn sưởi không chỉ mang lại cảm giác ấm áp mà còn giúp bệnh nhân có tinh thần lạc quan hơn trong quá trình hồi phục Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại chăn sưởi như WarmAir giúp chăm sóc bệnh nhân thoải mái và ấm áp, bên cạnh đó, nhóm sinh viên Huỳnh Thanh Nam và Lê Quang Huy cũng đã phát triển thành công chăn điện sưởi ấm cho bệnh nhân với công nghệ giám sát từ xa.

Bộ môn Điện tử Công nghiệp - Y sinh đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao sức khỏe bệnh nhân trước, trong và sau phẫu thuật, góp phần cải thiện hiệu suất phục vụ của bệnh viện và ngành y tế hiện nay.

Việc thiết kế hệ thống tự động điều khiển nhiệt độ và giám sát từ xa rất quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả làm việc của điều dưỡng viên và y bác sĩ, đồng thời cải thiện quá trình hồi phục sức khỏe cho bệnh nhân sau phẫu thuật Do đó, đề tài “Thiết kế và thi công mô hình chăn sưởi cho bệnh nhân sau phẫu thuật” là một lựa chọn hợp lý và có ý nghĩa trong việc nâng cao chất lượng chăm sóc bệnh nhân.

MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

Hệ thống chăn sưởi cho bệnh nhân sau phẫu thuật được thiết kế và thi công dựa trên vi điều khiển ESP8266, sử dụng phương thức điều khiển PID Hệ thống bao gồm thiết bị đo nhiệt độ đeo tay cho bệnh nhân, có khả năng truyền tín hiệu, cùng với hệ thống dẫn khí nóng vào bên trong chăn Các thông số nhiệt độ được theo dõi qua màn hình LCD và ứng dụng điện thoại, đảm bảo tính tiện lợi và dễ dàng sử dụng với thiết kế mô hình thẩm mỹ.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

• NỘI DUNG 1: Lấy dữ liệu nhiệt độ từ cơ thể bệnh nhân và gửi qua hệ thống gia nhiệt chính

• NỘI DUNG 2: Nhận dữ liệu thân nhiệt của bệnh nhân và theo dõi khi thân nhiệt ở mức bình thường thì sẽ duy trì hệ thống hoạt động liên tục

• NỘI DUNG 3: Thực hiện gia nhiệt cho hệ thống thổi khí vào chăn

• NỘI DUNG 4: Thi công chăn

• NỘI DUNG 5: Thiết kế mô hình hoàn chỉnh

• NỘI DUNG 6: Thực nghiệm mô hình và đánh giá kết quả

• NỘI DUNG 7: Đưa ra phương án xử lý phù hợp với kết quả thực nghiệm và viết báo cáo.

GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

Các thông số giới hạn của đề tài bao gồm:

• Mô hình gồm 3 thành phần chính: vòng tay đo thân nhiệt bệnh nhân và hệ thống điều khiển trung tâm và chăn sưởi

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3

Hệ thống yêu cầu kết nối Wifi để truyền dữ liệu đến ứng dụng, cho phép người dùng điều khiển thông qua nút nhấn và theo dõi trạng thái qua màn hình LCD cũng như ứng dụng trên điện thoại.

• Dải nhiệt độ của hệ thống sử dụng nằm trong khoảng 25 o C - 40 o C

BỐ CỤC

Chương này giới thiệu lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, phạm vi và giới hạn nghiên cứu, cùng với cấu trúc của đồ án.

• Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trình bày về lý thuyết cơ bản của hệ thống

• Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống

Giới thiệu về hệ thống: giới thiệu về từng khối, thiết kế và giao tiếp với hệ thống

• Chương 4: Thi công hệ thống

Trình bày các bước trong quá trình thi công hoàn thiệt phần cứng, phần mềm hệ thống

• Chương 5: Kết quả, nhận xét, đánh giá

Chương này trình bày kết quả đạt được và đánh giá, nhận xét

• Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Trình bày kết luận và nêu ra hướng phát triển của đề tài trong tương lai.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHĂN SƯỞI CHO BỆNH NHÂN

Hạ thân nhiệt ở người có thể dẫn đến nguy cơ nhiễm trùng và các biến chứng nghiêm trọng, do đó việc hạn chế tình trạng này là rất quan trọng Sử dụng chăn sưởi cho bệnh nhân là một phương pháp hiệu quả để phòng ngừa hạ thân nhiệt, đặc biệt trong quá trình phẫu thuật hoặc phục hồi Chăn sưởi sau phẫu thuật không chỉ giúp duy trì nhiệt độ cơ thể mà còn ngăn ngừa và điều trị tình trạng hạ thân nhiệt, đặc biệt cho những bệnh nhân trong tình trạng sốc hoặc có bệnh lý làm giảm nhiệt độ cơ thể Hiện nay, nhiều hãng thiết bị y tế lớn như Covidien, Bair Hugger và Gentherm đã phát triển các sản phẩm chăn sưởi chất lượng cao phục vụ nhu cầu điều trị.

Chăn sưởi sau phẫu thuật bao gồm hai bộ phận chính: máy sưởi ấm và chăn Theo nghiên cứu từ các nhà cung cấp thiết bị chăn sưởi cho bệnh nhân, máy sưởi có các thành phần cơ bản như bộ phận cấp nhiệt, bộ phận dẫn nhiệt vào chăn và các bộ phận ngoại vi Máy sưởi ấm hoạt động bằng cách thổi khí nóng vào bên trong chăn thông qua ống dẫn khí, giúp duy trì nhiệt độ ổn định cho bệnh nhân.

Hình 2.1 Máy sưởi ấm Level 1™ ICU

Hình 2.2 Máy sưởi ấm bệnh nhân WarmTouch 6000 Covidien

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh giới thiệu máy sưởi ấm ICU Medical, sử dụng phương pháp đối lưu nhiệt với bộ điều khiển nhiệt ở đầu ống hút không khí, giúp bệnh nhân tránh nhiệt độ quá cao và theo dõi cảnh báo nhiệt độ liên tục Máy sưởi ấm WarmTouch 6000 của Covidien cũng sở hữu bộ lọc khí HEPA hiệu suất 99,97%, có khả năng hoạt động lên đến 2.000 giờ và dễ dàng tùy chỉnh với 5 mức nhiệt độ khác nhau.

Chăn sưởi cho bệnh nhân có nhiều kích thước khác nhau, phù hợp với từng nhóm bệnh nhân và ứng dụng cụ thể Sản phẩm được thiết kế đa dạng, sử dụng chất liệu mỏng nhẹ và không chứa latex, đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

Chăn sưởi 3M Bair Hugger, như hình 2.3, được thiết kế đặc biệt cho bệnh nhân sau phẫu thuật, với kích thước lớn giúp che phủ trung tâm cơ thể và giữ ấm toàn diện Ngoài loại chăn toàn thân, còn có nhiều mẫu chăn khác nhau phục vụ cho các mục đích sử dụng cụ thể, như chăn cho phẫu thuật phần dưới thân, chăn dành cho khoa nhi, chăn cho phẫu thuật đặc biệt như phẫu thuật tim, và chăn để làm ấm phần thân trên Mỗi hãng sản xuất sẽ có thiết kế chăn riêng biệt, phù hợp với nhu cầu và tiêu chuẩn của từng loại phẫu thuật.

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của chăn sưởi

Quy trình hoạt động của hệ thống chăn làm ấm bệnh nhân Bair Hugger bắt đầu bằng việc chuẩn bị và đặt chăn sưởi lên hoặc quanh bệnh nhân theo hướng dẫn của nhà sản xuất Khi máy hoạt động, nó hút không khí từ môi trường và làm nóng không khí này đến nhiệt độ cài đặt Không khí ấm sau đó được đẩy qua ống dẫn vào chăn sưởi, lưu thông qua các khoang trong chăn, tạo ra lớp không khí ấm bao phủ cơ thể bệnh nhân.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6

Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động chăn sưởi cho bệnh nhân hãng 3M Bair Hugger [8]

Quá trình giám sát và điều chỉnh nhiệt độ không khí ấm được thực hiện liên tục, trong đó tình trạng bệnh nhân được theo dõi chặt chẽ Các điều chỉnh cần thiết được thực hiện qua bảng điều khiển nhằm duy trì nhiệt độ ổn định và an toàn cho bệnh nhân.

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID

Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) là một công cụ quan trọng trong các hệ thống điều khiển phản hồi, bao gồm ba thành phần chính: khâu tỉ lệ (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D) Khâu tỉ lệ xác định ảnh hưởng của sai số hiện tại, khâu tích phân tổng hợp ảnh hưởng của các sai số trong quá khứ, và khâu vi phân đánh giá tốc độ thay đổi của sai số Sự kết hợp của ba thành phần này cho phép điều chỉnh hiệu quả quá trình thông qua các thiết bị điều khiển như van hay nguồn gia nhiệt.

Hình 2.5 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7

Khi sử dụng bộ điều khiển PID, việc xác định các thông số như giá trị đo biến đổi (Output) và giá trị đặt mong muốn (Setpoint) là rất quan trọng Bộ điều khiển PID tính toán sai số (Error) bằng cách lấy hiệu số giữa giá trị đo và giá trị đặt mong muốn, từ đó điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào để giảm sai số tối đa Nếu không có kiến thức cơ bản về hệ thống điều khiển, bộ điều khiển PID là sự lựa chọn tốt nhất Bộ điều khiển PID bao gồm các loại như PI, PD và P hoặc I, mỗi loại phù hợp với yêu cầu khác nhau của từng hệ thống Trong số đó, bộ điều khiển PI rất phổ biến nhờ vào khả năng đáp ứng nhạy với nhiễu đo lường, nhưng thiếu giá trị tích phân có thể dẫn đến việc hệ thống không đạt được giá trị mong muốn Về lý thuyết, bộ điều khiển PID có thể áp dụng cho bất kỳ quá trình nào có đầu ra đo được (PV), giá trị lý tưởng cho đầu ra (SP) và đầu vào chu trình (MV) để tác động vào PV.

Khâu tỉ lệ điều chỉnh giá trị đầu ra dựa trên giá trị sai số hiện tại Để đạt được tỉ lệ mong muốn, sai số này có thể được nhân với một hằng số Kp, được gọi là hệ số tỉ lệ.

● 𝑃 𝑜𝑢𝑡 : thừa số tỉ lệ đầu ra

● 𝐾 𝑃 : hệ số tỉ lệ, thông số điều chỉnh

Thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại) được mô tả trong hình 2.6, thể hiện khâu tỉ lệ của bộ điều khiển PID theo công thức (2.1) với các giá trị 𝐾 𝑃, 𝐾 I và 𝐾 𝐷 theo thời gian Trong đó, 𝐾 I và 𝐾 𝐷 là hai hằng số, cho thấy hệ số của khâu tỉ lệ lớn do sự thay đổi lớn ở đầu ra trong khi sai số thay đổi nhỏ Nếu hệ số của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ trở nên không ổn định.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8

Hình 2.6 Đồ thị quá trình theo thời gian, tương ứng với ba giá trị 𝐾 𝐷, 𝐾 𝑃 và 𝐾 𝐼 (𝐾 𝐼 và 𝐾 𝐷 là hằng số)

Khâu tích phân phụ thuộc vào mức độ sai số và thời gian xảy ra sai số, với tổng các sai số tức thời theo thời gian tạo ra lượng bù đã được hiệu chỉnh Lượng tích lũy này được nhân với độ lợi tích phân và cộng vào tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển Mức độ ảnh hưởng của khâu tích phân trong các điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích phân.

● 𝐼 𝑜𝑢𝑡 : thừa số tích phân của đầu ra

● 𝐾 𝐼 : độ lợi tích phân, thông số điều chỉnh

● 𝑡 : thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại)

Khâu tích phân trong bộ điều khiển PID, như mô tả trong Hình 2.7, sử dụng công thức (2.2) với các hằng số 𝐾 𝑃, 𝐾 I và 𝐾 𝐷 theo thời gian Hai hằng số 𝐾 𝑃 và 𝐾 𝐷 đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh quá trình Khi kết hợp với khâu tỉ lệ, khâu tích phân giúp tăng tốc độ chuyển động của hệ thống đến điểm đặt và giảm thiểu sai số ổn định, với tỷ lệ phụ thuộc vào đặc tính của bộ điều khiển.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9

Hình 2.7 Đồ thị quá trình theo thời gian, tương ứng với ba giá trị 𝐾 𝐷, 𝐾 𝑃 và 𝐾 𝐼 (𝐾 𝑃 và 𝐾 𝐷 là hằng số)

Tốc độ thay đổi của sai số quá trình được xác định bằng độ dốc của sai số theo thời gian, tức là đạo hàm bậc một theo thời gian, và được nhân với độ lợi tỉ lệ Biên độ của phân phối khâu vi phân, hay còn gọi là tốc độ, trên tất cả các hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ lợi vi phân.

● 𝐷 𝑜𝑢𝑡 : thừa số vi phân của đầu ra

● 𝐾 𝐷 : độ lợi vi phân, thông số điều chỉnh

Khâu vi phân trong bộ điều khiển PID, như mô tả trong Hình 2.8, liên quan đến thời gian hiện tại và các hằng số 𝐾 𝑃, 𝐾 𝐼, 𝐾 𝐷 Nó có tác dụng làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển, giúp đạt được điểm đặt một cách hiệu quả Điều này cho phép khâu vi phân giảm biên độ vọt lố do thành phần tích phân gây ra, từ đó tăng cường độ ổn định cho bộ điều khiển hỗn hợp.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 10

Hình 2.8 Đồ thị quá trình theo thời gian, tương ứng với ba giá trị 𝐾 𝐷, 𝐾 𝑃 và 𝐾 𝐼 (𝐾 𝑃 và 𝐾 𝐼 không đổi)

Đầu ra của bộ điều khiển PID được tính toán bằng cách cộng lại các khâu tỉ lệ, tích phân và vi phân từ các phương trình (2.1), (2.2), (2.3) Định nghĩa đầu ra 𝑢(𝑡) của bộ điều khiển, biểu thức cuối cùng của thuật toán PID được thể hiện rõ ràng.

𝑑𝑡 𝑒(𝑡) (2.4) Trong đó các thông số điều chỉnh là:

Độ lợi tỉ lệ \( K_P \) càng cao, phản ứng hệ thống càng nhanh, nhưng đồng thời cũng làm gia tăng sai số và yêu cầu bù khâu tỉ lệ lớn hơn Tuy nhiên, nếu giá trị độ lợi tỉ lệ quá lớn, hệ thống có nguy cơ mất ổn định và xuất hiện dao động.

Độ lợi tích phân \( K_I \) càng cao thì sai số ổn định bị khử càng nhanh Tuy nhiên, điều này cũng dẫn đến độ vọt lố lớn hơn; nghĩa là bất kỳ sai số âm nào trong quá trình đáp ứng quá độ đều cần phải được triệt tiêu bằng sai số dương trước khi hệ thống đạt trạng thái ổn định.

Độ lợi vi phân 𝐾 𝐷 càng lớn giúp giảm độ vọt lố, nhưng lại làm chậm đáp ứng quá độ và có khả năng gây mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 11

GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG

Vi điều khiển là một bo mạch tích hợp với đầy đủ tính năng của hệ thống máy tính, cho phép người dùng lập trình các chân với số lượng thay đổi tùy theo loại vi điều khiển Nó nổi bật với tốc độ xử lý cao và khả năng thực hiện các hàm logic, đồng thời có thể được thiết kế với chi phí hợp lý Bo mạch vi điều khiển thường bao gồm các linh kiện như bộ xử lý trung tâm, bộ nhớ, bộ nhớ chỉ đọc, cổng vào và ra, bộ đếm thời gian, bộ chuyển đổi analog sang digital, bộ chuyển đổi digital sang analog, cổng giao tiếp nối tiếp và mạch dao động.

Trên thị trường hiện nay có nhiều loại vi điều khiển khác nhau như dòng Arduino ở hình 2.9, ESP32, ESP8266 ở hình 2.10, Raspberry, PIC Microcontroller,

Hình 2.9 Các dòng Arduino Hình 2.10 Các dòng ESP

Vi điều khiển đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, tạo ra các thiết bị điện tử đa dạng Chúng thường được tích hợp trong các thiết bị điều khiển, đo lường và tính toán Trong ngành công nghiệp chế tạo ô tô, vi điều khiển được sử dụng để kiểm soát và điều chỉnh công suất động cơ, cũng như trong các thiết bị điều khiển và thiết bị ngoại vi khác Ngoài ra, vi điều khiển còn góp phần quan trọng trong sự phát triển của các thiết bị như máy ảnh kỹ thuật số và màn hình LED hoặc LCD.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 12

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị quan trọng để đo nhiệt độ của các đối tượng như môi trường xung quanh và thân nhiệt con người Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên mối quan hệ giữa điện trở của kim loại và nhiệt độ, trong đó điện trở sẽ tăng khi nhiệt độ tăng và ngược lại Cảm biến này ghi nhận sự thay đổi nhiệt độ và chuyển hóa thành tín hiệu điện, sau đó truyền tín hiệu đến các thiết bị đọc như vi điều khiển để hiển thị và lưu trữ thông tin về nhiệt độ.

Hiện nay có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ: cảm biến nhiệt điện trở (RTD), Cặp nhiệt điện (Thermocouple), Nhiệt bán dẫn (Diode, IC…),

Hình 2.11 Cảm biến nhiệt điện trở (RTD)

Hình 2.12 Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

Hình 2.13 Nhiệt bán dẫn (Diode, IC…)

Cảm biến nhiệt độ hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, y tế, phòng thí nghiệm, môi trường và công nghiệp điện tử Trong công nghiệp, cảm biến giúp giám sát và kiểm soát nhiệt độ trong dây chuyền sản xuất và bảo quản Trong y tế, chúng được sử dụng để theo dõi thân nhiệt bệnh nhân, hỗ trợ quá trình điều trị sức khỏe Với sự phát triển nhanh chóng của thế giới, vai trò của cảm biến nhiệt độ ngày càng trở nên quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và hiệu quả trong nhiều ứng dụng khác nhau.

2.3.3 Relay bán dẫn (Solid State Relay)

Solid State Relay (SSR) là một công tắc điện tử điều khiển dòng điện thông qua các thành phần bán dẫn như transistor, triac và opto-coupler SSR hoạt động bằng cách nhận tín hiệu điều khiển, kích hoạt một LED trong opto-isolator Khi LED phát sáng, phototransistor hoặc photodiode sẽ phát hiện tín hiệu, từ đó truyền tín hiệu một cách gián tiếp, giúp cách ly điện giữa mạch điều khiển và mạch tải.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh 13 cho biết rằng, khi kích hoạt các linh kiện bán dẫn, dòng điện sẽ chạy qua và cung cấp điện cho tải Khi tín hiệu điều khiển ngừng, đèn LED tắt và phototransistor ngừng hoạt động, dẫn đến việc các linh kiện bán dẫn ngừng dẫn điện và ngắt dòng điện qua tải Quá trình này cho phép SSR chuyển mạch nhanh chóng và bền bỉ, không gây ra tia lửa điện, từ đó bảo vệ mạch.

Hình 2.14 Solid State Relay (SSR)

Relay bán dẫn (Solid State Relay - SSR) được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp và tự động hóa, đặc biệt trong hệ thống điều khiển nhiệt độ như lò nhiệt và máy ép nhiệt, nơi yêu cầu độ chính xác cao Ngoài ra, SSR còn được ứng dụng trong điều khiển động cơ, hệ thống chiếu sáng và bảo vệ mạch điện khỏi quá tải và quá áp, từ đó nâng cao độ an toàn và kéo dài tuổi thọ thiết bị, làm cho nó trở thành giải pháp lý tưởng cho nhiều môi trường công nghiệp.

Thanh nhiệt điện trở là thiết bị chuyển đổi điện năng thành nhiệt năng bằng cách cản trở dòng điện Khi điện năng được cấp vào hai đầu của thanh nhiệt, nó phát ra nhiệt năng nhờ vào cấu trúc điện trở bên trong Vật liệu dẫn điện tốt sẽ tạo ra điện trở nhỏ, trong khi vật liệu dẫn điện kém sẽ dẫn đến điện trở lớn.

Hình 2.15 Một số loại thanh nhiệt điện trở

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 14

Cấu tạo của thanh nhiệt điện trở gồm ba lớp chính: lớp vỏ bọc ngoài làm từ inox hoặc đồng, lớp cách điện dẫn nhiệt bằng MgO dạng bột, và dây điện trở từ hợp kim Nichrome Lớp vỏ bọc ngoài được chế tạo thành ống rỗng, trong khi lớp cách điện giúp cách điện và dẫn nhiệt hiệu quả, được bịt kín bằng gốm sứ ở hai đầu Dây điện trở là phần quan trọng nhất, tạo ra nhiệt nhờ vào điện trở cao của hợp kim.

Hình 2.16 Cấu tạo thanh nhiệt điện trở

Một số loại thanh nhiệt điện trở được thiết kế với cánh tản nhiệt, giúp tăng hiệu quả làm mát Khi dòng điện chạy qua, thanh điện trở sẽ nóng lên và truyền nhiệt đến cánh tản nhiệt Cánh tản nhiệt này hỗ trợ việc phân tán nhiệt nhanh chóng, mang lại tiện lợi trong quá trình sử dụng.

GIỚI THIỆU PHẦN MỀM

Trong hầu hết các hệ thống hiện nay, phần mềm đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ thực hiện các chức năng cần thiết Dưới đây là những phần mềm phổ biến mà sinh viên thường sử dụng cho các môn học và đồ án, giúp thiết kế và phát triển mô hình hoàn chỉnh cho các đề tài.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 15

❖ Phần mềm lập trình Arduino IDE

Phần mềm Arduino IDE (Môi trường Phát triển Tích hợp) là công cụ chính để lập trình các module Arduino và các vi điều khiển khác, cho phép người dùng sử dụng trực tiếp trình biên dịch của Arduino.

Hình 2.17 Phần mềm Arduino IDE

Arduino IDE bao gồm hai phần chính: trình chỉnh sửa để viết mã và trình biên dịch để biên dịch và tải mã lên module Arduino Môi trường này hỗ trợ lập trình bằng nhiều ngôn ngữ khác nhau.

Proteus Professional 8 là phần mềm thiết kế mạch phổ biến, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực điện tử, viễn thông, công nghiệp và y tế.

Hình 2.18 Phần mềm Proteus Professional 8

Phần mềm Proteus Professional 8 cung cấp tính năng mô phỏng mạch, thiết kế PCB và mạch in, cùng với các bộ điều khiển lập trình tích hợp, giúp kết hợp phát triển phần mềm và phần cứng Nó được sử dụng rộng rãi cho các dự án mô phỏng và gia công PCB ở cả quy mô cá nhân và công nghiệp.

SOLIDWORKS là phần mềm thiết kế 3D CAD chạy trên Windows, phát triển bởi Dassault Systèmes Công cụ này mạnh mẽ và dễ sử dụng, hỗ trợ kỹ sư và nhà thiết kế tạo ra mô hình 3D chi tiết, lắp ráp bộ phận và thực hiện phân tích kỹ thuật SOLIDWORKS cung cấp nhiều tính năng và công cụ cho thiết kế, bao gồm thiết kế sản phẩm, mô phỏng, tạo bản vẽ kỹ thuật và sản xuất.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 16

Phần mềm này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như cơ khí, ô tô, hàng không vũ trụ, y tế và nhiều lĩnh vực khác

❖ Phần mềm MIT App Inventor

App Inventor là nền tảng phát triển ứng dụng di động dành cho hệ điều hành Android, giúp người mới bắt đầu lập trình dễ dàng Người dùng không cần kiến thức lập trình để tạo ứng dụng riêng Với giao diện trực quan, App Inventor cho phép kéo và thả các khối lập trình để xây dựng logic ứng dụng Nền tảng này còn hỗ trợ kết nối với Firebase, mang đến cho người dùng ứng dụng hoàn chỉnh nhất.

Hình 2.20 Phần mềm MIT App Inventor

Firebase là nền tảng phát triển ứng dụng và dịch vụ điện toán đám mây do Google cung cấp, hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình như Android, iOS, JavaScript, Node.js, Java, Unity, PHP và C++ Nó cung cấp giải pháp lưu trữ cơ sở dữ liệu và dịch vụ xác thực tích hợp, giúp phát triển ứng dụng dễ dàng và hiệu quả.

Chức năng chính của Firebase là giúp đơn giản hóa việc lập trình ứng dụng bằng cách tối ưu hóa các thao tác với cơ sở dữ liệu

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 17

CÁC CHUẨN GIAO THỨC

Giao thức I2C (Inter-Integrated Circuit) là một phương thức truyền thông nối tiếp cho phép truyền dữ liệu giữa các thiết bị điện tử như vi điều khiển, cảm biến và LCD thông qua hai dây SCL và SDA Trong giao thức này, các bit dữ liệu được truyền lần lượt trên kênh SDA, với thời gian truyền được điều khiển bởi tín hiệu đồng hồ SCL.

Giao thức I2C hoạt động thông qua việc truyền nhận dữ liệu giữa hai thiết bị chủ tớ (Master - Slave), trong đó vi điều khiển đóng vai trò là máy chủ (Master) điều khiển đường dây SCL và gửi nhận tín hiệu qua SDA Ưu điểm của I2C so với SPI là chỉ cần hai dây kết nối SCL và SDA, hỗ trợ nhiều master và slave, cùng với việc sử dụng bit ACK/NACK để xác nhận khung dữ liệu được chuyển thành công, đồng thời phần cứng đơn giản hơn so với UART Tuy nhiên, I2C cũng có nhược điểm như tốc độ truyền dữ liệu chậm hơn SPI, kích thước khung dữ liệu bị giới hạn ở 8 bit và yêu cầu phần cứng phức tạp hơn để triển khai.

HTTP (Giao thức Truyền Tải Siêu Văn Bản) là giao thức tiêu chuẩn của World Wide Web, cho phép truyền tải thông tin như hình ảnh, văn bản và âm thanh giữa máy chủ web và người dùng Giao thức này hoạt động theo mô hình Máy chủ (Server) và Máy khách (Client), với các yêu cầu HTTP (HTTP Request) được gửi từ máy khách đến máy chủ để lấy dữ liệu.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh 18 đề cập đến quá trình gửi dữ liệu từ client lên server, trong đó server có nhiệm vụ tìm kiếm và xử lý thông tin theo yêu cầu của client HTTP Request có thể được định dạng dưới dạng file text, XML hoặc JSON.

Giao thức HTTP Request sử dụng nhiều phương thức cơ bản để thực hiện các yêu cầu Hai phương thức phổ biến hiện nay là GET và POST, bên cạnh đó, người dùng cũng có thể áp dụng các phương thức khác như PUT, PATCH, DELETE, và HEAD.

Phương thức POST là một cách gửi dữ liệu đến máy chủ, cho phép thêm mới hoặc cập nhật dữ liệu đã có trong cơ sở dữ liệu Thông tin cần thiết sẽ được cập nhật trong phần body của yêu cầu.

Phương thức Get là cách mà Client gửi dữ liệu đến Server thông qua đường dẫn URL trên thanh địa chỉ của trình duyệt Server sẽ nhận đường dẫn này và tiến hành phân tích để trả về kết quả.

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 19

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.1.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Khi đã có những ý tưởng của đề tài, tiến hành thiết kế sơ đồ khối cho hệ thống

Sơ đồ khối là công cụ hữu ích để mô tả tổng quan các thành phần của hệ thống, giúp xác định mục tiêu rõ ràng và định hướng lựa chọn linh kiện cho từng phần một cách dễ dàng.

Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 20

Mô hình được trình bày trong sơ đồ khối gồm hai thành phần chính: vòng tay đo thân nhiệt bệnh nhân và hệ thống điều khiển trung tâm để thổi khí vào chăn.

❖ Chức năng các khối của vòng tay đo thân nhiệt bệnh nhân:

Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho các linh kiện trong mô hình

Khối cảm biến: Dùng cảm biến nhiệt độ để đo thân nhiệt bệnh nhân

Khối điều khiển: Vi điều khiển nhận nhiệt độ từ cảm biến và gửi dữ liệu đó đến hệ thống xử lý trung tâm

❖ Chức năng các khối của hệ thống điều khiển trung tâm:

Khối nguồn cung cấp điện áp 220VAC cho khối gia nhiệt, đồng thời chuyển đổi thành nguồn 5VDC để cung cấp cho khối xử lý trung tâm, khối hiển thị và khối cảm biến.

Khối xử lý trung tâm nhận dữ liệu thân nhiệt bệnh nhân từ vòng tay và dữ liệu nhiệt độ chăn từ cảm biến, sau đó xử lý và gửi tín hiệu để điều khiển relay thực hiện gia nhiệt cho chăn Đồng thời, nó cũng điều khiển khối hiển thị để theo dõi các dữ liệu nhiệt độ.

Khối gia nhiệt: Nhận tín hiệu từ khối xử lý trung tâm, có nhiệm vụ làm nóng không khí để quạt thổi khí nóng vào chăn

Khối cảm biến: Cảm biến đo nhiệt độ chăn và gửi dữ liệu về khối xử lý trung tâm để điều khiển hệ thống

Khối hiển thị: Vi điều khiển gửi dữ liệu nhiệt độ chăn và thân nhiệt bệnh nhân để hiển thị quá trình theo dõi

Khối nút nhấn cho phép người dùng điều chỉnh giá trị cài đặt cũng như dừng hoặc khởi động hệ thống Đồng thời, khối giám sát từ xa truyền tải dữ liệu nhiệt độ từ khối xử lý trung tâm đến ứng dụng điện thoại thông qua Firebase và MIT App Inventor.

3.1.2 Tính toán và thiết kế mạch vòng tay đo thân nhiệt

Khối điều khiển là phần quan trọng trong mạch điện, chịu trách nhiệm điều khiển các thành phần khác Để chọn linh kiện phù hợp, cần khảo sát thị trường và tìm hiểu các vi điều khiển đặc trưng, phổ biến Việc so sánh ưu nhược điểm của từng loại linh kiện sẽ giúp xác định lựa chọn tối ưu dựa trên yêu cầu cụ thể của dự án.

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 21

Bảng 3.1 So sánh các loại vi điều khiển

Tên vi điều khiển Arduino Mini Pro ESP8266 Wemos D1 Mini Hình ảnh

Giá thành (VNĐ) 74 000 73 000 53 000 Ưu điểm - Kích thước: 3.33 x

- Hỗ trợ nguồn điện bên ngoài 3.3~12 VDC

- Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino

- Có thể kết nối và truyền dữ liệu bằng Wifi

- Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino

- Có thể kết nối và truyền dữ liệu bằng Wifi

Nhược điểm - Phải kết nối với đầu đọc USB để có thể lập trình trên máy tính

- Không kết nối được Wifi để gửi dữ liệu

- Khi truyền dữ liệu phải kết nối Wifi

- Khi truyền dữ liệu phải kết nối Wifi

• Những tiêu chí để lựa chọn linh kiện cho khối điều khiển được lấy dữ liệu từ bảng 3.1:

- Kích thước nhỏ hơn đề tài trước khoảng 3.5 x 5.5cm

- Vi điều khiển chỉ cần bốn chân để kết nối với cảm biến và nguồn nên không cần số chân quá nhiều

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 22

Để tối ưu hóa mạch và tránh việc sử dụng quá nhiều linh kiện, nên lựa chọn vi điều khiển tích hợp chức năng kết nối Wifi, giúp truyền dữ liệu hiệu quả đến hệ thống chính.

- Tốc độ xử lý nhanh

Wemos D1 Mini được lựa chọn cho khối điều khiển của vòng tay đo thân nhiệt bệnh nhân nhờ vào kích thước nhỏ gọn 3.42x2.56cm và khả năng xử lý nhanh với tốc độ 80-160MHz Với 16 chân, chỉ cần sử dụng bốn chân cho chức năng nhận dữ liệu từ cảm biến và gửi về hệ thống xử lý trung tâm, Wemos D1 Mini đáp ứng tốt yêu cầu về tốc độ và hiệu suất cho việc kiểm soát thân nhiệt bệnh nhân.

Wemos D1 Mini là một board mạch nhỏ gọn tích hợp Wifi, tương thích với trình biên dịch Arduino Sản phẩm này lý tưởng cho việc thu nhận dữ liệu từ cảm biến và truyền dữ liệu đến các vi điều khiển khác qua Wifi.

Hình 3.2 Cấu hình chân của Wemos D1 Mini

Cấu hình chân thường được sử dụng theo mô tả như hình 3.2, các chân RX và

TX được sử dụng cho giao tiếp UART, trong khi chân D1 và D2 tương ứng với SCL và SDA để kết nối vi điều khiển qua giao thức I2C Chân D5, D6 và D7 phục vụ cho giao thức SPI với các chức năng SCK, MISO và MOSI Chân G là chân nối đất, và nguồn có thể được cấp qua USB Micro 5VDC hoặc qua hai chân 3.3V hoặc 5V cho vi điều khiển Ngoài ra, vi điều khiển còn hỗ trợ kết nối wifi.

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 23

Dưới đây là khối điều khiển của mô hình vòng tay khi nhóm lựa chọn sử dụng Wemos D1 Mini:

Hình 3.3 Khối điều khiển sử dụng Wemos D1 Mini

Hình 3.3 mô tả các chân kết nối của vi điều khiển trong khối điều khiển, trong đó chân 3.3V nhận điện áp từ đầu ra của khối nguồn Các chân D1 và D2 được kết nối lần lượt với SCL và SDA của cảm biến, trong khi chân GND được sử dụng để nối đất nguồn.

Khối cảm biến đóng vai trò quan trọng trong mô hình này, với chức năng thu thập giá trị nhiệt độ và gửi về khối điều khiển để xử lý Để lựa chọn loại cảm biến phù hợp, cần khảo sát các loại cảm biến có sẵn trên thị trường, từ đó so sánh và đưa ra quyết định dựa trên yêu cầu của hệ thống.

Bảng 3.2 So sánh các loại cảm biến nhiệt độ

Tên cảm biến LM35 MLX90164 DHT11

Giá thành (VNĐ) 33 000 245 000 18 000 Điện áp đầu vào 4V - 30V 3.3V - 5V 3.3V - 5V

Khoảng đo -55°C đến 150°C -70℃ đến 380℃ 0℃ đến 50℃

Kích thước 4.3 x 4.3mm 11.5 x 16.5mm 32 x 14mm

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 24 Ưu điểm - Sai số thấp

- Không cần tiếp xúc với vật thể đo

- Kết nối I2C dễ sử dụng

- Có độ chính xác cao trong môi trường công nghiệp và y tế

- Khoảng cách đối tượng đo: 10cm

Nhược điểm - Nhiệt độ được xác định bằng cách đo hiệu điện thế ngõ ra

- Ứng dụng trong việc đo nhiệt độ cơ bản

- Nếu muốn đo thân nhiệt cần tiếp xúc da để lấy được thông số chính xác

- Khó thiết kế cho mạch vòng tay

- Giá thành cao - Sai số cao

- Cần tiếp xúc với vật thể đo

• Những tiêu chí để lựa chọn linh kiện cho khối cảm biến được xem xét từ bảng 3.2:

Kích thước của vi điều khiển không được lớn hơn 3.52x2.56cm, vì việc kết nối và sắp xếp vào mạch vòng tay yêu cầu sự nhỏ gọn.

- Sai số thấp, không được quá ±1°C

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 25

- Dải nhiệt độ đo được nằm trong khoảng nhiệt độ cơ thể người: 20°C - 42°C

- Số chân cảm biến ít để có thể dễ kết nối với vi điều khiển: ít hoặc bằng

Cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc MLX90614 là lựa chọn tối ưu nhờ kích thước nhỏ gọn 11.5 x 16.5mm, độ sai số chỉ ±0.3°C và khả năng đo nhiệt độ trong dải rộng từ -70℃ đến 380℃.

Hình 3.4 Cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc GY-906 MLX90614ESF

Cảm biến nhiệt độ MLX90614 là thiết bị đo nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc, cho phép xác định nhiệt độ của các vật thể và sinh vật thông qua năng lượng mà chúng phát ra.

THI CÔNG HỆ THỐNG

THI CÔNG HỆ THỐNG

4.1.1 Thi công vòng tay đo thân nhiệt bệnh nhân

Sau khi thiết kế xong sơ đồ nguyên lý, nhóm tiến hành thiết kế và thi công mạch PCB một lớp của vòng tay trên phần mềm Proteus

Hình 4.1 Bản thiết kế mạch PCB của vòng tay đo thân nhiệt bệnh nhân

Mạch có kích thước 3.11cm x 2.83cm như mô tả trên hình 4.1 Mạch được sử dụng kích thước dây từ T30 đến T40 cho phù hợp với kích thước nhỏ của mạch

Hình 4.2 Sơ đồ bố trí linh kiện trên mạch PCB

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 53

Sơ đồ bố trí linh kiện trên mạch thể hiện vi điều khiển Wemos D1 Mini được hàn trực tiếp với 16 chân, trong khi các linh kiện nguồn như tụ gốm, tụ hóa và IC LM1117 được bố trí bên dưới Ngoài ra, sơ đồ còn minh họa các chân kết nối của cảm biến, đầu vào của mạch sạc và công tắc, như được thể hiện trong hình 4.2.

Dựa trên sơ đồ bố trí linh kiện tiến hành liệt kê các linh kiện cần dùng cho mạch và ủi mạch PCB thực tế

Bảng 4.1 Danh sách linh kiện sử dụng trong mô hình vòng tay

STT Tên linh kiện Số lượng

2 Cảm biến nhiệt độ GY-906 1

8 Mạch sạc pin lithium cổng type C 1

❖ Lắp ráp và kiểm tra

Sau khi hoàn thiện mạch PCB và xác định danh sách linh kiện cần thiết cho vòng đo thân nhiệt, bước tiếp theo là sắp xếp các linh kiện ở vị trí tối ưu và thực hiện hàn mạch.

(c) Mặt bên trái (d) Mặt bên trên

Hình 4.3 Mạch vòng đo thân nhiệt sau khi hàn và ghép nối linh kiện

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 54

Sau khi hàn các linh kiện vào mạch PCB, Wemos D1 Mini ESP8266 được đặt ở mặt trước, nằm trên các tụ điện Ở góc trái là cảm biến nhiệt độ, trong khi LM1117 và công tắc gạt nằm ở mặt trái Pin Lithium được bố trí ở mặt sau và mạch sạc pin nằm ở mặt trên Để tránh tình trạng chập mạch, các linh kiện được phân cách bằng keo cách điện và cách nhiệt, dán các chân và các mối hàn.

Hình 4.4 Điện áp sau khi qua mạch tăng áp Hình 4.5 Điện áp vào chân Wemos D1

Sau khi kiểm tra bằng đồng hồ đo, điện áp đầu ra từ mạch tăng áp đạt 5.15V, trong khi điện áp vào chân Wemos D1 Mini ESP8266 là 3.3V Các giá trị điện áp này phù hợp với thiết kế tính toán ban đầu.

4.1.2 Thi công hệ thống điều khiển trung tâm

Mạch PCB được thiết kế bằng phần mềm Proteus với kích thước 10,67x88,9cm, trong đó các linh kiện được sắp xếp hợp lý Đường dây kết nối được thực hiện với kích thước T40 cho nguồn DC và T50 cho nguồn AC của biến áp, như minh họa trong hình bên dưới.

Hình 4.6 Bản thiết kế mạch PCB của hệ thống điều khiển trung tâm

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 55

Sơ đồ kết nối trong hình 4.7 thể hiện vi điều khiển ESP8266 là bộ xử lý trung tâm, với mạch nguồn bên phải bao gồm các linh kiện như cầu diode, 2 tụ gốm, 2 tụ hóa và IC 7805 Cuối mạch bên phải có terminal kết nối biến áp, cùng với các chân kết nối cho các linh kiện khác như LCD, nút nhấn, solid state relay và cảm biến nhiệt độ.

Hình 4.7 Sơ đồ bố trí linh kiện trên mạch PCB

Theo hình 4.7 cho thấy sự sắp xếp linh kiện ở các vị trí đã hợp lý, tiến hành liệt kê danh sách linh kiện cần thiết như bảng dưới:

Bảng 4.2 Danh sách linh kiện sử dụng trong mô hình hệ thống trung tâm

STT Tên linh kiện Số lượng

5 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 5

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 56

❖ Lắp ráp và kiểm tra

Lắp đặt các linh kiện đã liệt kê trong bảng lên mạch PCB theo sơ đồ bố trí sẽ tạo ra mạch hoàn chỉnh, sẵn sàng cho hệ thống hoạt động.

Mạch hoàn chỉnh thực tế sau khi lắp linh kiện bao gồm ESP8266 và tụ điện được hàn trực tiếp vào PCB, trong khi các linh kiện như LCD, nút nhấn và cảm biến được kết nối qua 5 dây rời vào terminal để dễ dàng thay thế và sửa chữa Đối với khối gia nhiệt và khối nguồn, việc kết nối nguồn AC trực tiếp giúp mạch gọn gàng và giảm thiểu nguy cơ hư hỏng khi kết nối với khối xử lý trung tâm qua terminal.

Hình 4.9 Điện áp sau khi qua mạch nguồn

Kiểm tra bằng đồng hồ đo cho thấy điện áp sau khi qua mạch nguồn là 5V như hình 4.9, đúng với thiết kế ban đầu

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 57

ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH

4.2.1 Đóng gói và thi công vòng tay đo thân nhiệt

Hệ thống điều khiển trung tâm và chăn sưởi được hỗ trợ bởi vòng đo thân nhiệt, giúp nâng cao hiệu quả hoạt động Nhóm yêu cầu thiết kế một hộp chứa linh kiện với các vị trí để sạc, nạp code cho kỹ thuật viên, và dây đeo cho bệnh nhân Dựa trên các yêu cầu này và thông tin về linh kiện trong vòng đo thân nhiệt, nhóm đã dự đoán kích thước hộp và tiến hành mô phỏng 3D trên phần mềm SolidWorks, như thể hiện trong hình 4.10 và 4.11.

Hình 4.10 Hộp vòng đo thân nhiệt

1 Vị trí lắp ốc dành cho mặt dưới

2 Vị trí đặt cảm biến

6 Vị trí của công tắc

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 58

Hình 4.11 Mô hình vòng đo thân nhiệt 3D trên SolidWorks

Khi hoàn thành, hộp có kích thước dự kiến là 4,3 x 3,8 x 2,5cm

Đối với mô hình hộp đựng linh kiện cho vòng đo thân nhiệt, yêu cầu thiết kế có kích thước nhỏ gọn và ít chi tiết Theo bản vẽ đã được thiết kế, tiến hành gửi gia công bằng công nghệ in 3D.

Hình 4.12 Mô hình 3D hộp của vòng đo thân nhiệt

Sau khi hoàn tất việc in vỏ hộp, chúng ta tiến hành lắp đặt mạch vòng đo thân nhiệt đã được hàn linh kiện Dưới đây là hình ảnh sản phẩm hoàn thiện của vòng đo thân nhiệt.

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 59

Hình 4.13 Vòng đo thân nhiệt sau khi hoàn thành

Vòng đo thân nhiệt có kích thước hoàn thiện 4,5x4x2,8cm, đi kèm với dây đeo có miếng dán cố định dài tối đa 20cm, mang lại sự thoải mái cho nhiều kích thước tay của người bệnh.

4.2.2 Đóng gói và thi công hệ thống điều khiển trung tâm

Hệ thống yêu cầu bao gồm bộ phận làm nóng và bộ phận truyền nhiệt đến chăn, cùng với các thành phần hiển thị và điều khiển Nhóm đã tiến hành thiết kế hộp cho hệ thống chính với hai buồng chính, bao gồm các chi tiết như vị trí đặt LCD, nút nhấn, đi dây dẫn, khoang chứa bộ phận cấp nhiệt và khoang chứa mạch cho hệ thống Sau khi tìm hiểu kích thước của các thành phần cần thiết, thiết kế đã được hoàn thiện.

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh đã sử dụng 60 linh kiện thiết yếu để tiến hành mô phỏng máy trên phần mềm SolidWorks, dựa trên các thông số được cung cấp trong hình 4.14 và 4.15.

Hình 4.14 Mặt trước hệ thống (bên trái) và thân hệ thống (bên phải)

3 Vị trí lỗ thoát khí

4 Tầng trên chứa các mạch điện chính của hệ thống

8 Tầng dưới Khi hoàn thành, kích thước của hệ thống điều khiển trung tâm là 41x26x25cm Sau khi có mạch đã hàn các linh kiện và kết nối hệ thống với mạch điều khiển, tiến hành điều chỉnh kích thước vỏ hộp mô hình cho phù hợp

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 61

Mô hình hệ thống 3D trên SolidWorks cho thấy điều kiện quạt cần tập trung khí thổi ra ống dẫn, như minh họa ở hình 4.16 Do đó, tầng dưới chứa quạt và thanh điện trở được thiết kế nhằm giảm thiểu thất thoát khí trong thùng và tối ưu hóa lượng khí đưa vào chăn.

Hình 4.16 Vị trí lắp các linh kiện trong mô hình ở tầng dưới

2 Vị trí đặt thanh gia nhiệt

3 Vị trí lắp ống dẫn khí vào trong chăn

4 Phần lắp tấm cách nhiệt

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 62

Để thi công mô hình hệ thống trung tâm, sử dụng mica cứng trắng đục làm vỏ với độ dày 5mm Vật liệu này đảm bảo độ chắc chắn cần thiết mà vẫn giữ cho hộp nhẹ, dễ dàng di chuyển.

(a) Mặt trước hệ thống (b) Mặt sau hệ thống

Hình 4.17 Mô hình hệ thống điều khiển trung tâm

Sau khi lắp ráp các linh kiện theo hình 4.17, hệ thống bao gồm màn hình LCD hiển thị các giá trị (1), nút nhấn (2), lỗ thoát khí (3), dây cảm biến vào chăn (4), dây cắm nguồn (5) và quạt thổi khí (6).

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 63

Tầng trên cùng, như hình 4.18, được thiết kế để chứa mạch của hệ thống và đi dây dẫn, với các dây dẫn được cố định bằng móc gắn và ruột gà, đảm bảo sự gọn gàng Trong khi đó, tầng giữa chứa đầu vào của thanh nhiệt điện trở.

Hình 4.19 Thi công tầng dưới của mô hình

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 64

Trong thiết kế, thanh nhiệt điện trở được treo lơ lửng giữa tầng dưới và tầng giữa, với đầu thanh được gắn cố định bằng ốc ở các mặt cách nhiệt Tầng dưới có lỗ dẫn khí và vị trí quạt được bố trí hợp lý, giúp tối ưu hóa luồng không khí Các tấm cách nhiệt được dán bằng keo cách nhiệt, hạn chế nhiệt truyền ra bên ngoài và tiết kiệm điện năng Hơn nữa, hộp được thiết kế hình thang, giúp khí thổi ra trực tiếp qua lỗ dẫn khí mà không lan tỏa vào bên trong.

4.2.3 Đóng gói và thi công chăn

Sau khi nghiên cứu các thiết kế chăn sưởi trên thị trường, chúng tôi đã chọn thiết kế chăn sưởi toàn thân kích thước 200x120cm cho bệnh nhân Kích thước này phù hợp với người trưởng thành và đáp ứng nhu cầu của nhiều dáng người khác nhau.

Hình 4.20 Bản thiết kế chăn sưởi

Chăn có kích thước ruột 170x90cm, được thiết kế với bốn làn khí bên trong, trong đó làn ngoài và làn trong đều có kích thước 25cm.

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 65

Chăn được thiết kế với hệ thống phân luồng khí, giúp khí lan tỏa đều trên toàn bộ bề mặt Các điểm đánh dấu trên chăn xác định vị trí cảm biến để kiểm tra và hiệu chỉnh nhiệt độ, đảm bảo chăn được cấp nhiệt đồng đều Đầu thổi khí được đặt dưới chân bệnh nhân, không gây ảnh hưởng trong quá trình sử dụng Về vật liệu, chăn sưởi sử dụng các loại vải y tế như Tetron Rayon, lụa satin, polypropylene không dệt và linen, được lựa chọn dựa trên tiêu chí chống thấm nước, cách nhiệt, an toàn cho bệnh nhân và khả năng giữ khí hiệu quả.

LẬP TRÌNH HỆ THỐNG

❖ Lưu đồ giải thuật chương trình vòng tay đo thân nhiệt bệnh nhân

Chương trình được minh họa qua lưu đồ ở hình 4.23 có quy trình hoạt động đơn giản, trong đó vi điều khiển Wemos D1 Mini nhận dữ liệu nhiệt độ từ cảm biến và gửi về hệ thống điều khiển trung tâm Quá trình này được tóm tắt rõ ràng trong hình trên.

Để bắt đầu, cần khai báo tất cả thư viện cần thiết, khởi tạo serial, I2C và cấu hình wifi Vi điều khiển sẽ kết nối với wifi đã khai báo; nếu kết nối thành công, chương trình sẽ tiến hành bước tiếp theo, ngược lại sẽ quay lại bước kết nối wifi Sau đó, chương trình khởi tạo cảm biến; nếu cảm biến được khởi tạo thành công, quá trình sẽ tiếp tục, nếu không sẽ quay lại bước khởi tạo Cảm biến sẽ liên tục đọc nhiệt độ từ bệnh nhân và chuyển đổi giá trị từ độ F sang độ C Tiếp theo, kiểm tra kết nối wifi; nếu không thành công, quay lại bước kết nối Cuối cùng, khởi tạo HTTP Client và gửi dữ liệu nhiệt độ qua hệ thống Server bằng giao thức POST request, sau đó chương trình kết thúc.

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 67

Hình 4.23 Lưu đồ giải thuật chương trình vòng tay

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 68

❖ Lưu đồ giải thuật chương trình của hệ thống điều khiển trung tâm

Hình 4.24 Lưu đồ giải thuật chương trình chính

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 69

Chương trình điều khiển chính sử dụng ESP8266, được minh họa qua lưu đồ hình 4.24 Khi bắt đầu, cần khai báo tất cả thư viện cho các linh kiện trong hệ thống, khởi tạo serial và I2C để theo dõi thông số trong quá trình lập trình và hiển thị trên LCD Tiếp theo, cấu hình wifi được thiết lập để vi điều khiển kết nối internet và vận hành hệ thống Do hệ thống có ứng dụng điện thoại để theo dõi thông số, nên cần khởi tạo cấu hình Firebase Cuối cùng, khai báo các chân kết nối vật lý cho các linh kiện như cảm biến và SSR với vi điều khiển.

Hệ thống điều khiển sử dụng phương thức PID yêu cầu gán biến setpoint với giá trị cụ thể, trong trường hợp này là 37, và biến toggleState được khởi tạo bằng 0 cho chương trình con nút nhấn Sau đó, chương trình sẽ khởi tạo LCD, cảm biến và cấu hình PID Do sử dụng vi điều khiển ESP8266, hệ thống cần kết nối WiFi để gửi dữ liệu đến Firebase và ứng dụng điện thoại, vì vậy bước kiểm tra kết nối WiFi là bắt buộc; chỉ khi kết nối thành công, hệ thống mới có thể tiếp tục hoạt động.

Chương trình thiết lập máy chủ Server để truyền dữ liệu từ vòng tay lên ứng dụng điện thoại thông qua Firebase Hệ thống sử dụng PID để điều chỉnh nhiệt độ, với biến input là nhiệt độ từ vòng tay Cần cập nhật thời gian thực và yêu cầu nhiệt độ để thư viện PID tính toán sai số giữa input và setpoint Tính toán PID được thực hiện qua thư viện trong IDE Khi biến toggleState = 0, chương trình kiểm tra nút nhấn; nếu nút Up được giữ, toggleState sẽ được đặt thành 1, cho phép hệ thống điều khiển SSR cho thanh gia nhiệt bằng dữ liệu PID đã tính toán Đồng thời, chương trình đọc nhiệt độ từ chăn và cập nhật liên tục lên LCD và Firebase trước khi kết thúc.

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 70

• Chương trình con tiếp nhận dữ liệu từ Client

Hình 4.25 Lưu đồ giải thuật chương trình con tiếp nhận dữ liệu từ Client Giải thích:

Khi dữ liệu từ vòng tay được gửi về, vi điều khiển của hệ thống chính sẽ đọc và kiểm tra xem dữ liệu đó có phải là biến data hay không Nếu đúng, hệ thống sẽ tiếp tục đọc và chuyển đổi dữ liệu nhiệt độ từ độ F sang độ C, sau đó gửi phản hồi đến Client để xác nhận đã nhận được dữ liệu và kết thúc quá trình.

• Chương trình con kiểm tra nút nhấn

Chương trình được mô tả qua lưu đồ hình 4.26, bắt đầu bằng việc thực hiện hai chương trình con: đọc dữ liệu từ cảm biến trên chăn và tiếp nhận dữ liệu từ Client Khi nhận được hai giá trị nhiệt độ từ các chương trình con, chương trình sẽ kiểm tra xem có nhấn nút Up không Nếu có, giá trị setpoint sẽ tăng thêm 0.5 °C; nếu không, chương trình sẽ không thay đổi giá trị.

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

Chương trình của BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 71 sẽ kiểm tra xem nút Down có được nhấn hay không; nếu nhấn, setpoint sẽ giảm xuống 0.5 oC, còn nếu không nhấn, hệ thống sẽ hiển thị dữ liệu nhiệt độ và setpoint lên LCD Tiếp theo, chương trình sẽ kiểm tra việc nhấn giữ nút Start; nếu có, chương trình con sẽ kết thúc và chuyển sang chương trình chính với biến toggleState = 1 Nếu không nhấn giữ, chương trình con sẽ tiếp tục vòng lặp, quay về kiểm tra toggleState = 0 cho đến khi một trong hai nút được nhấn giữ, lúc đó hệ thống mới hoạt động.

Hình 4.26 Lưu đồ giải thuật chương trình con kiểm tra nút nhấn

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 72

• Chương trình con đọc cảm biến chăn

Hình 4.27 Lưu đồ giải thuật chương trình con đọc cảm biến chăn

Chương trình bắt đầu bằng việc gửi lệnh đọc dữ liệu từ năm cảm biến nhiệt độ Sau khi thu thập dữ liệu từ từng cảm biến, chương trình sẽ tính toán nhiệt độ trung bình của tất cả các cảm biến để tối ưu hóa việc theo dõi nhiệt độ Cuối cùng, quá trình sẽ kết thúc sau khi hoàn tất các bước trên.

• Chương trình con gửi dữ liệu lên Firebase

Chương trình gửi dữ liệu lên Firebase theo quy trình mô tả trong hình 4.28, kiểm tra kết nối liên tục Nếu kết nối thành công, chương trình sẽ gửi dữ liệu bao gồm nhiệt độ, biến toggle và setpoint; nếu không, sẽ quay lại bước kết nối Trong quá trình gửi, chương trình xác nhận việc gửi dữ liệu thành công Nếu không thành công, thông báo gửi thất bại sẽ được hiển thị và kết thúc, ngược lại, thông báo gửi dữ liệu thành công sẽ được gửi Sau khi ứng dụng MIT App Inventor kết nối với Firebase qua FirebaseToken và URL, dữ liệu sẽ được lấy từ Realtime Database.

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

Bộ môn Điện tử Công nghiệp - Y sinh 73 thực hiện kiểm tra liên tục để đảm bảo dữ liệu được làm mới Dữ liệu cập nhật sẽ được hiển thị trên ứng dụng, và chương trình sẽ kết thúc sau khi hoàn tất.

Hình 4.28 Lưu đồ giải thuật chương trình con gửi dữ liệu lên Firebase

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 74

• Chương trình con PID điều khiển SSR

Hình 4.29 Lưu đồ giải thuật chương trình con PID điều khiển SSR

Sau khi PID tính toán được giá trị đầu ra, chương trình sẽ so sánh giá trị này với 128 Đầu ra của bộ điều khiển thường nằm trong khoảng từ 0 đến 255 khi sử dụng độ phân giải 8 bit, với giá trị 128 tương đương 50%.

Giá trị 255 là trung bình trong dải từ 0 đến 255, với tín hiệu điều khiển PID được bật khi đạt hoặc vượt qua 128, tương ứng với ngưỡng 50% Khi giá trị đầu ra dưới 128, relay sẽ tắt, tạo ra sự phân định rõ ràng giữa hai trạng thái on/off Giá trị đầu ra của PID được xác định bằng cách so sánh setpoint và input; nếu sai lệch giữa hai thông số này nhỏ, đầu ra của PID cũng sẽ nhỏ, phụ thuộc vào các thành phần P, I, và D.

4.3.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển

Phần mềm lập trình sử dụng chính trong bài này là Arduino IDE, phổ biến với các vi điều khiển như Arduino, ESP32, ESP8266,

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 75

Hình 4.30 Màn hình làm việc của phần mềm Arduino IDE

Cấu trúc của IDE bao gồm hai phần chính: hàm setup() và hàm loop() Hàm setup() thực hiện các câu lệnh khởi tạo, thiết lập trạng thái và gán giá trị cho biến, cũng như khai báo các chân hoạt động Sau khi hàm setup() hoàn tất, hàm loop() sẽ bắt đầu chạy, đây là vòng lặp vô tận cho phép các dòng code tiếp tục thực thi cho đến khi nhận được tín hiệu dừng từ nút nhấn trên board Arduino hoặc khi ngắt nguồn.

Với việc sử dụng đơn giản, lập trình dễ dàng, thao tác nhanh chóng, IDE dần trở thành phần mềm phổ biến với hầu hết sinh viên

Hình 4.31 Hướng dẫn chọn Board khi nạp code

Trước khi nạp code cho linh kiện ESP8266, cần chọn Board tương ứng với linh kiện này.

Tools → Board → esp8266 → Generic ESP8266 Module Sau khi hoàn tất, màn hình sẽ xuất hiện ô hiển thị như bên dưới:

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 76

Hình 4.32 Màn hình sau khi chọn Board

Tiếp theo cần xác định cổng nạp code cho linh kiện bằng cách:

Tools → Port → COM Khi kết nối linh kiện vào máy tính, ở mục Port sẽ hiển thị cổng COM đã kết nối, chỉ cần chọn cổng phù hợp

Hình 4.33 Màn hình sau khi chọn Port

Sau đó, nhấn vào nút Upload để tiến hành nạp code cho linh kiện

Hình 4.34 Màn hình chọn Upload

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 77

Cuối cùng, khi nạp code thành công màn hình sẽ hiển thị như bên dưới:

Hình 4.35 Màn hình khi nạp code thành công

KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ

KẾT QUẢ THI CÔNG MÔ HÌNH

5.1.1 Kết quả thi công vòng đo thân nhiệt

Mô hình vòng đo thân nhiệt sau khi hoàn thiện có kích thước 4.5cm chiều dài, 4cm chiều rộng và 2.8cm chiều cao, cùng với dây đeo dài tối đa 20cm, như được minh họa trong hình bên dưới.

Hình 5.1 Mô hình vòng đo thân nhiệt hoàn chỉnh

Mô hình vòng đo thân nhiệt bao gồm công tắc nguồn, khe sạc pin, cảm biến ở mặt dưới và dây đeo Khi bật nguồn, vòng đo sẽ phát sáng màu xanh dương, và dữ liệu từ cảm biến sẽ được gửi trực tiếp về hệ thống xử lý trung tâm qua kết nối wifi, được gán tên TEMP BAND.

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 87

Hình 5.2 Vòng đo thân nhiệt lúc đang hoạt động

Hình 5.3 Giá trị vòng đo thân nhiệt gửi về hệ thống

Bên cạnh đó, nhiệt độ còn hiển thị dưới tên TEMP_BAND lên ứng dụng theo dõi trên điện thoại như hình 5.4

Hình 5.4 Giá trị vòng đo thân nhiệt hiển thị lên ứng dụng

5.1.2 Kết quả thi công hệ thống điều khiển trung tâm

Hệ thống điều khiển trung tâm có kích thước 25cm chiều dài, 26cm chiều rộng và 41cm chiều cao, nặng khoảng 6kg Thiết kế gọn nhẹ giúp dễ dàng di chuyển, với nguồn điện 220V kết nối qua giắc cắm.

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 88

Hình 5.5 Mô hình toàn bộ hệ thống Ở hình 5.5, hệ thống bao gồm chăn sưởi (1), dây cảm biến (2), ống dẫn khí

(3), vòng đo thân nhiệt (4), hệ thống điều khiển (5)

Hình 5.6 Giao diện của mô hình hệ thống

Giao diện của hệ thống trước khi vào chế độ hoạt động có màn hình LCD hiển thị tối đa 4 dòng ký tự, dễ quan sát Hệ thống được trang bị 2 nút nhấn UP và DOWN để điều chỉnh nhiệt độ cài đặt, mỗi lần điều chỉnh sẽ thay đổi giá trị SET TEMP lên hoặc xuống 0.5 oC Để sử dụng hệ thống, người dùng chỉ cần nhấn giữ một trong hai nút nhấn để chuyển sang chế độ hoạt động.

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 89

Hình 5.7 Màn hình khi hệ thống hoạt động

Bên cạnh đó, giao diện hệ thống còn hiển thị giá trị nhiệt độ vòng tay ở TEMP BAND và giá trị nhiệt độ chăn sưởi TEMP BLANKET

Hình 5.8 Màn hình khi hệ thống dừng hoạt động

Hệ thống sử dụng phương pháp điều khiển PID để tự động gia nhiệt dựa trên nhiệt độ đo được Khi nhiệt độ vòng đo (TEMP BAND) thấp hơn mức cài đặt (TEMP SET), hệ thống sẽ bắt đầu gia nhiệt khi người sử dụng kích hoạt chế độ hoạt động Ngược lại, nếu nhiệt độ vòng đo cao hơn mức cài đặt, hệ thống sẽ không hoạt động dù người dùng đã chuyển sang chế độ hoạt động.

5.1.3 Kết quả thi công chăn sưởi

Hình 5.9 Chăn sưởi sau khi hoàn thành

Sau khi hoàn thành hệ thống chăn sưởi với kích thước 200x120cm, thiết bị được trang bị 4 làn phân khí từ ống dẫn Vị trí các cảm biến được đánh số rõ ràng, như thể hiện trong hình 5.9 Mỗi làn ống dẫn khí bên trong có chiều rộng 25cm, trong khi làn ống khí bên ngoài có chiều rộng 20cm.

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 90

Chăn sưởi được thiết kế với phần lỗ dẫn khí dài hơn, giúp dễ dàng gắn ống dẫn khí Ống dẫn khí có kích thước 70cm, được bọc bên ngoài bằng vải cùng chất liệu với chăn, với độ rộng khoảng 7.5cm.

5.1.4 Chi phí thực hiện hệ thống

Sau khi hoàn thành toàn bộ hệ thống, nhóm đưa ra bảng chi phí các linh kiện mà nhóm sử dụng như bảng 5.1 bên dưới

Bảng 5.1 Bảng chi phí các linh kiện khi thi công hệ thống

STT Danh mục linh kiện

Giá linh kiện thi công Thành tiền

(VND) Giá (VND) Số lượng

3 Cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc MLX90614 245.000 1 245.000

4 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 loại dây 1-3m

5 Màn hình LCD 20x4 và I2C driver 78.000 1 78.000

7 Relay bán dẫn SSR-60DA 83.000 1 83.000

9 Linh kiện khối nguồn hệ thống trung tâm 110.000 1 110.000

10 Linh kiện khối nguồn vòng đo thân nhiệt 65.000 1 65.000

12 Gia công in 3D vòng đo 40.000 1 40.000

13 Gia công cắt mica hộp 800.000 1 800.000

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 91

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

5.2.1 Kết quả hoạt động của vòng tay đo thân nhiệt bệnh nhân

Khi hệ thống hoạt động, vòng đo sẽ liên tục gửi thông số qua wifi lên màn hình LCD và ứng dụng trên điện thoại Nhiệt độ được hiển thị trên LCD với ký hiệu "TEMP BAND" theo đơn vị Celsius (°C) Trong quá trình hoạt động, đèn xanh sẽ sáng để báo hiệu rằng vòng đang bật và dữ liệu được truyền tải liên tục.

Hình 5.10 Nhiệt độ vòng lên LCD Hình 5.11 Khi vòng hoạt động

Tiến hành kiểm tra cảm biến thông qua nhiệt kế không tiếp xúc FR1MF1

Để thu thập số liệu chính xác, sử dụng nhiệt kế không tiếp xúc FR1MF1 và đeo vòng đo thân nhiệt liên tục Mỗi 5 phút, kiểm tra giá trị trên vòng đo và đồng thời sử dụng nhiệt kế để lấy thêm giá trị thứ hai Kết quả được thống kê và trình bày trong bảng 5.2.

Sau khi phân tích số liệu từ bảng 5.2, chênh lệch nhiệt độ giữa vòng đo và nhiệt kế dao động từ 0.01°C đến 0.29°C, với tất cả các sai số đều dưới 0.3°C Trung bình sai số của vòng đo thân nhiệt là 0.03°C Hình 5.13 cho thấy nhiệt độ của vòng đo có xu hướng gia tăng dần Nhìn chung, sai số giữa nhiệt độ từ vòng đo và nhiệt kế cho thấy sự ổn định trong quá trình đo lường.

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ

Bộ môn Điện tử Công nghiệp - Y sinh 92 cho biết độ sai lệch của nhiệt kế không vượt quá 0.3°C, với các sai số nhỏ hơn 0.5°C, đảm bảo vòng đo hoạt động ổn định.

Bảng 5.2 Kết quả kiểm tra độ chính xác của cảm biến

Lần đo Vòng đo thân nhiệt (°C) Nhiệt kế (°C) Sai số

Hình 5.13 Đồ thị mô tả sự thay đổi của nhiệt độ từ vòng đo và nhiệt kế

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 93

5.2.2 Kết quả vận hành hệ thống điều khiển trung tâm

Khi kết nối nguồn và bật công tắc hệ thống, màn hình sẽ hiển thị trạng thái cài đặt Giá trị SET TEMP là nhiệt độ mong muốn của người sử dụng, trong khi TEMP BAND là nhiệt độ đo được từ vòng đo thân nhiệt gửi về hệ thống Giá trị TEMP BLANKET là nhiệt độ trung bình của chăn do hệ thống thu thập SET TEMP nên được điều chỉnh trong khoảng từ 36°C đến 37.5°C, để hệ thống có thể so sánh với TEMP BAND và điều chỉnh nhiệt độ phù hợp.

Màn hình cài đặt cho phép người dùng điều chỉnh giá trị nhiệt độ cài đặt TEMP SET bằng cách nhấn nút UP để tăng hoặc nút DOWN để giảm, mỗi lần nhấn sẽ thay đổi giá trị 0.5°C Để bắt đầu sử dụng hệ thống sau khi cài đặt, người dùng cần nhấn giữ một trong hai nút trong khoảng 2-3 giây, sau đó màn hình sẽ chuyển sang chế độ hoạt động.

Hình 5.15 Màn hình hệ thống khi BẬT Hình 5.16 Màn hình hệ thống khi TẮT

Màn hình sẽ hiển thị dòng "RELAY ON!" khi hệ thống chuyển sang chế độ hoạt động mới Khi đạt được giá trị cài đặt, màn hình sẽ hiển thị thông tin tương ứng.

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 94

Khi thiết bị ở chế độ hoạt động, nút điều chỉnh nhiệt độ sẽ không hoạt động Để thoát khỏi chế độ này, người dùng cần nhấn giữ một trong hai nút, sau đó màn hình sẽ hiển thị trạng thái cài đặt hệ thống Tiến hành đo thực nghiệm để theo dõi quá trình hoạt động của hệ thống, các giá trị thu được sẽ được tổng hợp trong bảng dưới đây, kèm theo các điều kiện thực nghiệm.

- Thời gian thực hiện một lần đo: 30 phút

- Thời gian để hệ thống nghỉ cho lần đo tiếp theo: 20 phút

Quy trình lấy số liệu bắt đầu bằng việc cài đặt nhiệt độ ở mức 36°C trước khi hệ thống hoạt động Sau đó, tiến hành đo nhiệt độ vòng đo thân nhiệt và nhiệt kế Khi hệ thống được bật và màn hình hiển thị "RELAY OFF!", tiếp tục lấy giá trị nhiệt độ vòng lần thứ 2 và nhiệt kế lần 2 Thời gian gia nhiệt của hệ thống được xác định từ lần lấy giá trị trước khi hệ thống hoạt động đến khi ngừng hoạt động Mỗi giá trị cài đặt nhiệt độ được đo 3 lần, và kết quả được thống kê trong bảng 5.3 Mỗi lần đo sẽ có sai số giữa vòng đo thân nhiệt và nhiệt kế, từ đó tính ra giá trị trung bình sai số (TB sai số) cho 3 lần đo cùng một giá trị cài đặt nhiệt độ.

Theo số liệu từ bảng 5.3, khi hệ thống chưa hoạt động gia nhiệt, sai số trung bình giữa nhiệt độ đo từ vòng đo và nhiệt kế dao động từ 0.07 đến 0.22°C Khi hệ thống hoạt động ở mức nhiệt từ 36.5 đến 37°C, sai số giảm xuống dưới 0.22°C, cho thấy sự ổn định của hệ thống Tuy nhiên, khi đặt nhiệt độ dưới 36.5°C hoặc trên 37°C, sai số tăng lên trên 0.22°C Thời gian đáp ứng của hệ thống là 20-21 phút ở mức nhiệt 37 đến 37.5°C và dưới 20 phút khi nhiệt độ cài đặt dưới 37°C Tổng quan, sai số trung bình nằm trong khoảng 0.07 đến 0.45°C, nhỏ hơn 0.5°C, chứng tỏ hệ thống hoạt động tương đối ổn định Kết quả thực nghiệm cho thấy ở mức nhiệt 36.5°C, hệ thống đáp ứng nhanh và có sai số thấp.

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 95

Bảng 5.3 Thống kê giá trị thu được khi chạy thử nghiệm

5.2.3 Kết quả điều khí của chăn

Sau khi hoàn tất thi công, tiến hành đo giá trị các cảm biến được lắp đặt trong chăn Các cảm biến này được đánh số từ 1 đến 5, tương ứng với vị trí của chúng như thể hiện trong hình 5.17.

Hình 5.17 Vị trí đặt cảm biến trong chăn

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 96 Ở hình 5.17, vị trí phân bố cảm biến được sắp xếp rải đều ở các góc trong chăn

Cảm biến số 5 kiểm tra nhiệt độ trung tâm của chăn, trong khi cảm biến số 1 và 3 theo dõi nhiệt độ ở hai làn khí bên ngoài Đồng thời, cảm biến số 2 và 4 giúp kiểm tra nhiệt độ ở góc trên của chăn.

Bảng 5.4 Kết quả thí nghiệm phân bố nhiệt độ trong chăn

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 97

Tiếp đến tiến hành thực nghiệm kiểm tra sự phân bố khí trong từng vùng của chăn với điều kiện thực nghiệm sau:

• Nhiệt độ cài đặt của hệ thống: 37°C

• Thời gian mỗi lần lấy thông số: 1 phút

Dưới đây là hình 5.18, mô tả sự thay đổi nhiệt độ của các cảm biến thu được từ bảng 5.4

Hình 5.18 Đồ thị mô tả sự thay đổi của nhiệt độ từ 5 cảm biến ở chăn

Theo dữ liệu từ bảng 5.4 và hình 5.18, tại lần đo thứ 17, cảm biến số 1 và số 2 ghi nhận chênh lệch nhiệt độ lớn nhất là 4.44°C, trong khi lần đo thứ nhất cho thấy cảm biến số 2 và số 3 có chênh lệch nhỏ nhất là 1°C Nhìn chung, nhiệt độ trong chăn khá đồng đều, không vượt quá 5°C, với các cảm biến chủ yếu được đặt ngoài các góc chăn, trong khi vị trí tiếp xúc trực tiếp với cơ thể người nằm ở giữa, cho thấy chăn hoạt động ổn định.

5.3 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ

Sau khi hoàn thành hệ thống chăn sưởi cho bệnh nhân sau phẫu thuật, nhóm đã xác nhận rằng hệ thống đạt được mục tiêu thiết kế ban đầu, với các thông số được cải thiện đáng kể.

• Hệ thống gia nhiệt theo các thông số PID 𝐾 𝑃 = 500, 𝐾 𝐼 = 10, 𝐾 𝐷 = 0.05

• Kích thước mô hình vòng đo thân nhiệt nhỏ gọn 4,5x4x2,8cm với độ dài dây đeo 20cm Nhiệt độ thu được có sai số dưới 0.5°C

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 98

• Kích thước mô hình hệ thống xử lý trung tâm 41x26x25cm

Chăn sưởi hoàn thiện có kích thước 2x1.2m, phù hợp với nhiều thể trạng bệnh nhân khác nhau Sản phẩm này cung cấp nhiệt độ đồng đều, với độ chênh lệch không quá 4°C, đảm bảo sự thoải mái và an toàn cho người sử dụng.

• Giao diện ứng dụng theo dõi qua điện thoại trực quan, sinh động

THAO TÁC SỬ DỤNG

Để người dùng có thể sử dụng đúng hệ thống thì sau đây là hướng dẫn sử dụng của mô hình

Bước đầu tiên trong quá trình lắp đặt là kết nối ống dẫn khí vào hệ thống trung tâm và chăn, đồng thời kết nối dây cảm biến của chăn vào ống dẫn Cuối cùng, hãy kết nối cảm biến từ ống dẫn vào hệ thống để đảm bảo hoạt động hiệu quả.

Bước 2: Đeo vòng đo thân nhiệt cho bệnh nhân và mở nguồn

Bước 3: Cắm nguồn bằng phích cắm cho hệ thống trung tâm và nhấn công tắc nguồn cho chạy hệ thống

Bước 4: Cài đặt nhiệt độ ở mức bình thường của con người, mặc định là 37 độ C, có thể điều chỉnh dễ dàng bằng nút Up hoặc Down.

Bước 5: Sau khi đã cài đặt thông số nhiệt độ thì nhấn giữ nút nhấn Start, tiếp đó hệ thống sẽ hoạt động

Bước 6: Trong lúc đang chạy hệ thống có thể theo dõi các thông số nhiệt độ thông qua LCD hoặc mở ứng dụng điện thoại để theo dõi

Để tắt hệ thống ngay lập tức, hãy sử dụng công tắc nguồn bên phải mô hình Nếu bạn muốn dừng điều khiển hệ thống để điều chỉnh lại thông số nhiệt độ, chỉ cần nhấn giữ nút Stop.

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN_HƯỚNG PHÁT TRIỂN

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 99

Ngày đăng: 20/12/2024, 08:48

TỪ KHÓA LIÊN QUAN

TRÍCH ĐOẠN

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

TÀI LIỆU LIÊN QUAN

w