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

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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT Y SINH

GVHD: THS NGÔ BÁ VIỆT SVTH: NGUYỄN THỊ THANH NHÀN

LÊ NGỌC THẢO MYTHIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG CHĂN SƯỞI

CHO BỆNH NHÂN SAU PHẪU THUẬT

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

-

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGÀNH KỸ THUẬT Y SINH

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

HỆ THỐNG CHĂN SƯỞI CHO BỆNH NHÂN SAU PHẪU THUẬT

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

-

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGÀNH KỸ THUẬT Y SINH

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

HỆ THỐNG CHĂN SƯỞI CHO BỆNH NHÂN SAU PHẪU THUẬT

Tp HCM, ngày tháng năm 2024

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: Nguyễn Thị Thanh Nhàn MSSV: 20129069

Chuyên ngành: Kỹ thuật Y Sinh Mã ngành: 29

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG CHĂN SƯỞI CHO BỆNH NHÂN SAU PHẪU THUẬT

II NHIỆM VỤ

1 Các số liệu ban đầu:

- Tài liệu về một số mẫu chăn sưởi được sử dụng trên thị trường hiện nay

- Tài liệu về vi điều khiển ESP8266, cảm biến nhiệt độ MLX90614, cảm biến nhiệt độ DS18B20, Firebase, MIT App Inventor và ngôn ngữ lập trình, thư viện của cảm biến nhiệt độ, ESP8266

2 Nội dung thực hiện:

• Nội dung 1: Tìm hiểu các loại chăn sưởi và tiêu chuẩn thiết kế

• Nội dung 2: Tính toán thiết kế hệ thống gia nhiệt và thổi khí vào chăn

• Nội dung 3: Kết nối vi điều khiển của vòng đo và hệ thống, gửi dữ liệu từ

ESP8266 lên Firebase

• Nội dung 4: Thiết kế ứng dụng trên điện thoại thông qua MIT App Inventor

• Nội dung 5: Thiết kế, thi công mạch và mô hình vòng đo, hệ thống trung tâm

• Nội dung 6: Chạy thực nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống

• Nội dung 7: Viết báo cáo thực hiện

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/02/2024

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2024

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS Ngô Bá Việt

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

• Tìm hiểu phương thức điều khiển PID

• Thiết kế mạch mô phỏng Proteus các linh kiện đơn giản để thử chạy mạch điều khiển

Tuần 07

(Từ 08/04 - 14/04)

Tuần 08

(Từ 15/04 - 21/04)

• Thi công mạch hàn dùng các linh kiện đã

mô phỏng chạy mạch ngoài

• Tiến hành viết chương trình chạy mạch

• Thiết kế 3D cho thiết bị đo nhiệt độ, gửi in sản phẩm, hoàn thành vỏ ngoài sản phẩm

Tuần 09

(Từ 22/04 - 28/04)

Tuần 10

(Từ 29/04 - 05/05) • Thiết kế hộp chứa cho các linh kiện với

mạch chính, gửi cắt các mảnh và hoàn thành hộp

• Thiết kế chăn sưởi và tiến hành may hoàn thiện

• Viết báo cáo hoàn thiện

• Hoàn thành báo cáo thuyết trình

Tuần 16

(Từ 10/06 - 16/06)

GV HƯỚNG DẪN(Ký và ghi rõ họ và tên)

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài này là do chúng tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó

Chúng tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này

Người thực hiện đề tài

Nguyễn Thị Thanh Nhàn - Lê Ngọc Thảo My

LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Ngô Bá Việt giảng viên của ngành Kỹ Thuật Y Sinh Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã hướng dẫn và tận tình giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chia sẻ những kinh nghiệm quý báu của thầy để nhóm em có thể hoàn thành tốt bài báo cáo

Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong Khoa Điện - Điện tử trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã tạo điều kiện tốt nhất cho nhóm em hoàn thành bài báo cáo

Đồng thời, chúng em cũng xin được gửi lời cảm ơn đến các bạn Lớp Kỹ Thuật

Y Sinh 201290 đã có những chia sẻ, trao đổi cũng như là giúp đỡ củng cố kiến thức

và kinh nghiệm cho em trong thời gian thực hiện đề tài

Bước đầu đi vào thực hiện đề tài nhóm chúng em còn hạn chế về kiến thức nên không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến quý báu để nhóm chúng em dần hoàn thiện kiến thức nhằm làm tiền đề cho những dự án tương lai sau này

Và cuối cùng chúng em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, các anh chị em đã luôn động viên, ủng hộ và giúp đỡ em có thêm động lực hoàn thành đề tài

Xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

Trang bìa i

Nhiệm vụ đồ án ii

Lịch trình thực hiện iii

Lời cam đoan v

Lời cảm ơn vi

Mục lục vii

Liệt kê hình vẽ x

Liệt kê bảng xv

Tóm tắt xvi

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 2

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2

1.4 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 2

1.5 BỐ CỤC 3

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 CHĂN SƯỞI CHO BỆNH NHÂN 4

2.1.1 Cấu tạo chăn sưởi 4

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của chăn sưởi 5

2.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID 6

2.3 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 11

2.3.1 Vi điều khiển 11

2.3.2 Cảm biến nhiệt độ 12

2.3.3 Relay bán dẫn (Solid State Relay) 12

2.3.4 Thanh nhiệt điện trở 13

2.4 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM 14

2.5 CÁC CHUẨN GIAO THỨC 17

2.5.1 Giao thức I2C 17

2.5.2 Giao thức HTTP Request 17

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 19

3.1 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 19

3.1.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 19

3.1.2 Tính toán và thiết kế mạch vòng tay đo thân nhiệt 20

3.1.3 Tính toán và thiết kế mạch hệ thống điều khiển trung tâm 30

3.1.4 Tính toán điều khiển PID 47

3.2 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TOÀN MẠCH 50

3.2.1 Sơ đồ nguyên lý của vòng tay đo thân nhiệt bệnh nhân 50

3.2.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển thổi khí trung tâm 50

Chương 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 52

4.1 THI CÔNG HỆ THỐNG 52

4.1.1 Thi công vòng tay đo thân nhiệt bệnh nhân 52

4.1.2 Thi công hệ thống điều khiển trung tâm 54

4.2 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 57

4.2.1 Đóng gói và thi công vòng tay đo thân nhiệt 57

4.2.2 Đóng gói và thi công hệ thống điều khiển trung tâm 59

4.2.3 Đóng gói và thi công chăn 64

4.3 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 66

4.3.1 Lưu đồ giải thuật 66

4.3.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển 74

4.3.3 Phần mềm lập trình cho ứng dụng trên điện thoại 77

Chương 5 KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ 86

5.1 KẾT QUẢ THI CÔNG MÔ HÌNH 86

5.1.1 Kết quả thi công vòng đo thân nhiệt 86

5.1.2 Kết quả thi công hệ thống điều khiển trung tâm 87

5.1.3 Kết quả thi công chăn sưởi 89

5.1.4 Chi phí thực hiện hệ thống 90

5.2 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 91

5.2.1 Kết quả hoạt động của vòng tay đo thân nhiệt bệnh nhân 91

5.2.2 Kết quả vận hành hệ thống điều khiển trung tâm 93

5.2.3 Kết quả điều khí của chăn 95

5.3 NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ 97

5.4 THAO TÁC SỬ DỤNG 98

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 99

6.1 KẾT LUẬN 99

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

PHỤ LỤC 104

LIỆT KÊ HÌNH VẼ

Hình 2.1 Máy sưởi ấm Level 1™ ICU Medical 4

Hình 2.2 Máy sưởi ấm bệnh nhân WarmTouch 6000 Covidien 4

Hình 2.3 Chăn sưởi dùng trong sau phẫu thuật 3M Bair Hugger 5

Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động chăn sưởi cho bệnh nhân hãng 3M Bair Hugger [8] 6 Hình 2.5 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID 6

Hình 2.6 Đồ thị quá trình theo thời gian, tương ứng với ba giá trị 𝐾𝐷, 𝐾𝑃 và 𝐾𝐼 ( 𝐾𝐼 và 𝐾𝐷 là hằng số) 8

Hình 2.7 Đồ thị quá trình theo thời gian, tương ứng với ba giá trị 𝐾𝐷, 𝐾𝑃 𝑣à 𝐾𝐼 (𝐾𝑃 và 𝐾𝐷 là hằng số) 9

Hình 2.8 Đồ thị quá trình theo thời gian, tương ứng với ba giá trị 𝐾𝐷, 𝐾𝑃 𝑣à 𝐾𝐼 ( 𝐾𝑃 𝑣à 𝐾𝐼 là hằng số) 10

Hình 2.9 Các dòng Arduino 11

Hình 2.10 Các dòng ESP 11

Hình 2.11 Cảm biến nhiệt điện trở (RTD) 12

Hình 2.12 Cặp nhiệt điện (Thermocouple) 12

Hình 2.13 Nhiệt bán dẫn (Diode, IC…) 12

Hình 2.14 Solid State Relay (SSR) 13

Hình 2.15 Một số loại thanh nhiệt điện trở 13

Hình 2.16 Cấu tạo thanh nhiệt điện trở 14

Hình 2.17 Phần mềm Arduino IDE 15

Hình 2.18 Phần mềm Proteus Professional 8 15

Hình 2.19 Phần mềm SOLIDWORKS 16

Hình 2.20 Phần mềm MIT App Inventor 16

Hình 2.21 Phần mềm Firebase 16

Hình 2.22 Chuẩn giao tiếp I2C 17

Hình 2.23 Giao thức HTTP Request 18

Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống 19

Hình 3.2 Cấu hình chân của Wemos D1 Mini 22

Hình 3.3 Khối điều khiển sử dụng Wemos D1 Mini 23

Hình 3.4 Cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc GY-906 MLX90614ESF 25

Hình 3.5 Khối cảm biến sử dụng cảm biến MLX90614 25

Hình 3.6 Pin Lipo 3.7V 500mAh 26

Hình 3.7 Mạch sạc TP4056 27

Hình 3.8 Dạng sóng dòng điện của pin Lipo qua mạch sạc 28

Hình 3.9 IC ổn áp LM1117T-3.3 800mA 28

Hình 3.10 Mạch tăng áp Boost DC-DC T64 5VDC 29

Hình 3.11 Dạng sóng của dòng điện qua mạch tăng áp 29

Hình 3.12 Dạng sóng ngõ ra của mạch nguồn 29

Hình 3.13 Khối nguồn của mô hình vòng tay 30

Hình 3.14 Cấu hình chân của ESP8266 32

Hình 3.15 Sơ đồ kết nối chân của cảm biến DS18B20 34

Hình 3.16 Khối cảm biến sử dụng cảm biến DS18B20 34

Hình 3.17 LCD 20x4 I2C 34

Hình 3.18 Khối hiển thị trong sơ đồ nguyên lý của hệ thống trung tâm 35

Hình 3.19 Nút nhấn nhả chống nước PBS-33B12mm 2 chân 35

Hình 3.20 Khối nút nhấn kết nối với vi điều khiển của khối xử lý trung tâm 36

Hình 3.21 Bản thiết kế ruột chăn chứa khí 36

Hình 3.22 Thanh nhiệt điện trở chữ U 38

Hình 3.23 Cấu tạo của Solid State Relay 39

Hình 3.24 Rơ le bán dẫn DC-AC SSR-60DA 41

Hình 3.25 Sơ đồ kết nối khối gia nhiệt 41

Hình 3.26 Quạt MR20060-AC Orix 220VAC 42

Hình 3.27 IC ổn áp L7805CV 43

Hình 3.28 Sơ đồ tổng quát từng phần của khối nguồn 43

Hình 3.29 Dạng sóng ngõ ra của máy biến áp 44

Hình 3.30 Dạng sóng ngõ ra sau khi qua cầu diode 44

Hình 3.31 Dạng sóng ngõ ra sau khi qua khối lọc nhiễu 45

Hình 3.32 Dạng sóng đầu ra của mạch nguồn sau khi ổn áp 45

Hình 3.33 Khối nguồn sau khi được tính toán và thiết kế 46

Hình 3.34 Firebase nhận dữ liệu từ ESP8266 gửi lên 46

Hình 3.35 Thiết kế giao diện app theo dõi thông số qua phần mềm 46

Hình 3.36 Đồ thị mô tả sự thay đổi nhiệt độ 49

Hình 3.37 Sơ đồ nguyên lý vòng tay đo thân nhiệt bệnh nhân 50

Hình 3.38 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển thổi khí trung tâm 51

Hình 4.1 Bản thiết kế mạch PCB của vòng tay đo thân nhiệt bệnh nhân 52

Hình 4.2 Sơ đồ bố trí linh kiện trên mạch PCB 52

Hình 4.3 Mạch vòng đo thân nhiệt sau khi hàn và ghép nối linh kiện 53

Hình 4.4 Điện áp sau khi qua mạch tăng áp 54

Hình 4.5 Điện áp vào chân Wemos D1 Mini ESP8266 54

Hình 4.6 Bản thiết kế mạch PCB của hệ thống điều khiển trung tâm 54

Hình 4.7 Sơ đồ bố trí linh kiện trên mạch PCB 55

Hình 4.8 Mạch hoàn chỉnh thực tế sau khi đã lắp linh kiện 56

Hình 4.9 Điện áp sau khi qua mạch nguồn 56

Hình 4.10 Hộp vòng đo thân nhiệt 57

Hình 4.11 Mô hình vòng đo thân nhiệt 3D trên SolidWorks 58

Hình 4.12 Mô hình 3D hộp của vòng đo thân nhiệt 58

Hình 4.13 Vòng đo thân nhiệt sau khi hoàn thành 59

Hình 4.14 Mặt trước hệ thống (bên trái) và thân hệ thống (bên phải) 60

Hình 4.15 Mô hình hệ thống 3D trên SolidWorks 61

Hình 4.16 Vị trí lắp các linh kiện trong mô hình ở tầng dưới 61

Hình 4.17 Mô hình hệ thống điều khiển trung tâm 62

Hình 4.18 Vị trí các linh kiện được bố trí 63

Hình 4.19 Thi công tầng dưới của mô hình 63

Hình 4.20 Bản thiết kế chăn sưởi 64

Hình 4.21 Vải polyester 65

Hình 4.22 Chăn sau khi thi công 65

Hình 4.23 Lưu đồ giải thuật chương trình vòng tay 67

Hình 4.24 Lưu đồ giải thuật chương trình chính 68

Hình 4.25 Lưu đồ giải thuật chương trình con tiếp nhận dữ liệu từ Client 70

Hình 4.26 Lưu đồ giải thuật chương trình con kiểm tra nút nhấn 71

Hình 4.27 Lưu đồ giải thuật chương trình con đọc cảm biến chăn 72

Hình 4.28 Lưu đồ giải thuật chương trình con gửi dữ liệu lên Firebase 73

Hình 4.29 Lưu đồ giải thuật chương trình con PID điều khiển SSR 74

Hình 4.30 Màn hình làm việc của phần mềm Arduino IDE 75

Hình 4.31 Hướng dẫn chọn Board khi nạp code 75

Hình 4.32 Màn hình sau khi chọn Board 76

Hình 4.33 Màn hình sau khi chọn Port 76

Hình 4.34 Màn hình chọn Upload 76

Hình 4.35 Màn hình khi nạp code thành công 77

Hình 4.36 Màn hình bắt đầu tạo Realtime Database 77

Hình 4.37 Bắt đầu setup cho database 78

Hình 4.38 Sửa Rules cho database 78

Hình 4.39 Lấy thông tin kết nối của Firebase cho vi điều khiển 79

Hình 4.40 Màn hình hiển thị các dữ liệu trên Firebase 79

Hình 4.41 Giao diện thiết kế Designer 80

Hình 4.42 Giao diện lập trình Blocks 80

Hình 4.43 Giao diện chính để thiết kế của MIT App Inventor 80

Hình 4.44 Thả FirebaseDB vào Viewer 81

Hình 4.45 Cách lấy thông tin từ Firebase để liên kết ứng dụng 81

Hình 4.46 Dán thông tin vừa lấy được vào MIT App 82

Hình 4.47 Khối nhận dữ liệu từ Firebase 82

Hình 4.48 Khối phát hiện sự thay đổi khi có dữ liệu mới 83

Hình 4.49 Build ứng dụng 84

Hình 4.50 Màn hình giao diện ứng dụng hiển thị hệ thống chưa hoạt động 84

Hình 4.51 Màn hình giao diện ứng dụng hiển thị hệ thống đang hoạt động 84

Hình 4.52 Icon biểu tượng của ứng dụng 85

Hình 5.1 Mô hình vòng đo thân nhiệt hoàn chỉnh 86

Hình 5.2 Vòng đo thân nhiệt lúc đang hoạt động 87

Hình 5.3 Giá trị vòng đo thân nhiệt gửi về hệ thống 87

Hình 5.4 Giá trị vòng đo thân nhiệt hiển thị lên ứng dụng 87

Hình 5.5 Mô hình toàn bộ hệ thống 88

Hình 5.6 Giao diện của mô hình hệ thống 88

Hình 5.7 Màn hình khi hệ thống hoạt động 89

Hình 5.8 Màn hình khi hệ thống dừng hoạt động 89

Hình 5.9 Chăn sưởi sau khi hoàn thành 89

Hình 5.10 Nhiệt độ vòng lên LCD 91

Hình 5.11 Khi vòng hoạt động 91

Hình 5.12 Đo số liệu bằng nhiệt kế không tiếp xúc FR1MF1 91

Hình 5.13 Đồ thị mô tả sự thay đổi của nhiệt độ từ vòng đo và nhiệt kế 92

Hình 5.14 Màn hình hệ thống ở trạng thái cài đặt 93

Hình 5.15 Màn hình hệ thống khi BẬT 93

Hình 5.16 Màn hình hệ thống khi TẮT 93

Hình 5.17 Vị trí đặt cảm biến trong chăn 95

Hình 5.18 Đồ thị mô tả sự thay đổi của nhiệt độ từ 5 cảm biến ở chăn 97

LIỆT KÊ BẢNG

Bảng 3.1 So sánh các loại vi điều khiển 21

Bảng 3.2 So sánh các loại cảm biến nhiệt độ 23

Bảng 3.3 Điện áp và dòng hoạt động của linh kiện trong mô hình 26

Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật của mạch sạc TP4056 27

Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật của LM1117 28

Bảng 3.6 So sánh vi điều khiển 30

Bảng 3.7 So sánh các loại cảm biến có dây 33

Bảng 3.8 So sánh relay 39

Bảng 3.9 Điện áp hoạt động và dòng tiêu thụ của linh kiện trong mô hình 42

Bảng 3.10 Chạy thử nghiệm hệ thống để chọn thông số 𝐾𝑃 , 𝐾𝐼 , 𝐾𝐷 49

Bảng 4.1 Danh sách linh kiện sử dụng trong mô hình vòng tay 53

Bảng 4.2 Danh sách linh kiện sử dụng trong mô hình hệ thống trung tâm 55

Bảng 5.1 Bảng chi phí các linh kiện khi thi công hệ thống 90

Bảng 5.2 Kết quả kiểm tra độ chính xác của cảm biến 92

Bảng 5.3 Thống kê giá trị thu được khi chạy thử nghiệm 95

Bảng 5.4 Kết quả thí nghiệm phân bố nhiệt độ trong chăn 96

TÓM TẮT

Theo thống kê hiện nay, bệnh nhân hạ thân nhiệt sau khi trải qua phẫu thuật

trong hơn 2 giờ chiếm khoảng 60 – 70% Bệnh nhân có thể gặp các nguy cơ nhiễm

trùng vết thương sau mổ tăng gấp 3 lần so với bệnh nhân có thân nhiệt bình thường

và thời gian nằm viện hồi phục của bệnh nhân sẽ tăng đáng kể [1] Chính vì thế thiết

kế một hệ thống chăn sưởi cho bệnh nhân hậu phẫu giúp góp một phần nhỏ vào ngành

y tế nên việc thực hiện đề tài Thiết kế và thi công hệ thống chăn sưởi cho bệnh

nhân sau phẫu thuật là điều cần thiết

Đề tài này sử dụng phương pháp PID điều khiển hệ thống trung tâm tạo nhiệt

bằng thanh điện trở nhiệt và dùng quạt để đẩy khí nóng vào trong chăn 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 so sánh với nhiệt độ cài đặt và điều khiển PID Tất cả các thông số nhiệt

độ đều được hiển thị và theo dõi thông qua LCD và ứng dụng điện thoại Mặt khác

nhiệt độ cài đặt có thể được điều chỉnh thông qua hai nút nhấn tăng giảm và hệ thống

sẽ hoạt động hoặc dừng cũng dựa trên hai nút nhấn này

Sau quá trình thi công và thực nghiệm thì cho thấy rằng hệ thống hoàn thành

đạt được khoảng 90% mục tiêu đề đã đề ra Nhiệt độ từ vòng tay gửi về liên tục cho

hệ thống trung tâm, điều chỉnh thông số phù hợp cho phương thức điều khiển PID

Khí thổi vào từng vùng trong chăn khá đồng đều Nút nhấn có thể tăng giảm và bắt

đầu hoặc dừng hệ thống Ngoài ra đề tài còn một số hạn chế như việc phải kết nối

wifi thì hệ thống mới hoạt động, thời gian đáp ứng còn chậm và nút nhấn chưa được

nhạy Đề tài này chưa đạt tiêu chuẩn y tế để có thể đưa vào sử dụng trong bệnh viện

Để hỗ trợ cho quá trình giữ nhiệt độ cơ thể người ổn định thì sử dụng chăn sưởi là giải pháp hiệu quả Ngoài ra, việc sử dụng chăn sưởi cũng giúp bảo vệ da bệnh nhân, đặc biệt là những khu vực đã trải qua phẫu thuật Da là một bức tường bảo vệ quan trọng của cơ thể, và việc duy trì nhiệt độ da ổn định sẽ hỗ trợ quá trình lành tổn thương

và giảm nguy cơ nhiễm trùng Ở một khía cạnh khác, việc sử dụng chăn sưởi cũng mang lại cảm giác ấm áp, dễ chịu cho bệnh nhân, giúp họ có một tinh thần lạc quan

và hồi phục một cách tốt nhất

Đến thời điểm bây giờ, trên thị trường cũng đã có rất nhiều loại chăn sưởi đã giải quyết được vấn đề nêu trên như chăn sưởi WarmAir, thiết bị giúp chăm sóc bệnh nhân thoải mái và ấm áp sau phẫu thuật bằng việc thổi khí đã được lọc sạch và làm nóng vào chăn [3] Ngoài ra, trước đó nhóm sinh viên Huỳnh Thanh Nam, Lê Quang Huy đã thành công với đề tài “Thiết kế và thi công chăn điện sưởi ấm cho bệnh nhân giám sát từ xa” [4] Thiết bị được sử dụng phương pháp thổi khí giống với các thiết

bị đã có trên thị trường và cũng đi đến mục đích chung là làm ấm và giúp cải thiện

1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

Thiết kế và thi công hệ thống chăn sưởi cho bệnh nhân sau phẫu thuật sử dụng

vi điều khiển chính ESP8266 và dùng phương thức điều khiển PID Hệ thống bao gồm thiết bị đo nhiệt độ đeo tay cho bệnh nhân truyền gửi tín hiệu và hệ thống dẫn khí nóng vào bên trong chăn Theo dõi các thông số nhiệt độ qua màn hình LCD và ứng dụng điện thoại Thiết kế mô hình thẩm mỹ, dễ dàng sử dụng

1.3 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

1.4 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

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

• Hệ thống cần kết nối Wifi để truyền dữ liệu lên ứng dụng, cho phép điều khiển

hệ thống thông qua nút nhấn và theo dõi bằng LCD và ứng dụng điện thoại

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

• Chăn có kích thước 1m2 x 2m

1.5 BỐ CỤC

• Chương 1: Tổng quan

Chương này trình bày vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu của đề tài,

phạm vi nghiên cứu, giới hạn nghiên cứu và bố cục 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

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nội dung chính của chương này trình bày về các lý thuyết liên quan đến thiết

kế chăn sưởi cho bệnh nhân sau phẫu thuật Trình bày tổng quan về phương pháp tạo

ra nhiệt và phương pháp điều nhiệt cho hệ thống Giới thiệu về bộ điều khiển chính, các chuẩn giao tiếp, các phần mềm thiết kế

2.1 CHĂN SƯỞI CHO BỆNH NHÂN

Theo các tìm hiểu tổng quan ở Chương 1 về hạ thân nhiệt ở người, việc hạn chế hạ thân nhiệt sẽ giảm nguy cơ nhiễm trùng và các biến chứng liên quan Việc sử dụng chăn sưởi cho bệnh nhân cũng là một trong các phương pháp phòng ngừa hạ thân nhiệt hiệu quả Chăn sưởi sau phẫu thuật là một thiết bị y tế quan trọng được sử dụng để duy trì nhiệt độ cơ thể bệnh nhân trong suốt quá trình điều trị hoặc phục hồi Chăn sưởi bệnh nhân giúp ngăn ngừa và điều trị tình trạng hạ thân nhiệt, đặc biệt là trong các trường hợp bệnh nhân trải qua phẫu thuật, trong tình trạng sốc, hoặc có bệnh lý làm giảm nhiệt độ cơ thể [5] Hiện nay, có nhiều hãng thiết bị y tế lớn có thiết

bị chăn sưởi như Covidien, Bair Hugger, Gentherm,

2.1.1 Cấu tạo chăn sưởi

Chăn sưởi sau phẫu thuật bao gồm hai bộ phận chính là máy sưởi ấm và chăn Theo sự tìm hiểu từ các hãng cung cấp thiết bị chăn sưởi cho bệnh nhân cho thấy các thành phần cơ bản của máy sưởi gồm bộ phận cấp nhiệt, bộ phận dẫn nhiệt vào chăn, các bộ phận ngoại vi Máy sưởi ấm làm ấm chăn bằng cách thổi khí đã được làm nóng

ở nhiệt độ xác định vào bên trong chăn sưởi thông qua ống dẫn khí

Hình 2.1 Máy sưởi ấm Level 1™ ICU

Medical

Hình 2.2 Máy sưởi ấm bệnh nhân WarmTouch 6000 Covidien

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Ở hình 2.1, máy sưởi ấm của hãng ICU Medical sử dụng phương pháp đối lưu nhiệt, có bộ điều khiển nhiệt ở đầu ống hút không khí ở nhiệt độ môi trường, đến bộ lọc khí HEPA sau đó làm ấm và đưa ra đường ống dẫn đến chăn Thiết kế này giúp bệnh nhân tránh tiếp xúc với nhiệt độ quá cao, đồng thời liên tục theo dõi các cảnh báo trên và dưới nhiệt độ cho từng cài đặt [6] Đối với máy sưởi ấm bệnh nhân WarmTouch 6000 Covidien ở hình 2.2 cũng có thiết kế bộ lọc khí HEPA với kích thước 0.3µm cho hiệu suất lọc đạt khoảng 99,97% và đạt hiệu quả sử dụng đến 2.000 giờ Dễ dàng tùy chỉnh với 5 mức nhiệt độ là 34, 40, 45, 47 và nhiệt độ phòng [7]

Về phần chăn sưởi cho bệnh nhân có đa dạng các kích thước cho từng nhóm bệnh nhân, với từng cỡ chăn cho từng ứng dụng cụ thể Thiết kế đa dạng dành cho từng nhóm bệnh nhân cụ thể, sử dụng chất liệu mỏng nhẹ, không chứa latex [8]

Hình 2.3 Chăn sưởi dùng trong sau phẫu thuật 3M Bair Hugger

Ở hình 2.3, chăn dùng cho bệnh nhân sau phẫu thuật tha, với thiết kế có kích thước lớn, che trung tâm cơ thể, giúp giữ ấm toàn diện Ngoài dạng chăn sau phẫu thuật dùng cho toàn thân, còn có đa dạng mẫu chăn với thiết kế khác nhau tùy vào mục đích sử dụng như chăn dùng trong phẫu thuật phần dưới thân, chăn dùng trong khoa nhi, chăn dùng trong phẫu thuật đặc biết/tim, chăn dùng làm ấm phần thân trên Tùy thuộc vào hãng khác nhau, mỗi hãng sẽ có thiết kết chăn khác nhau

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của chăn sưởi

Quy trình hoạt động của hệ thống chăn làm ấm bệnh nhân Bair Hugger như hình 2.4 bắt đầu với việc chuẩn bị, sau đó chăn sưởi được đặt lên hoặc quanh bệnh nhân theo hướng dẫn cụ thể của nhà sản xuất Khi máy làm ấm hoạt động, máy hút không khí từ môi trường xung quanh và làm nóng không khí này bằng các bộ phận nhiệt bên trong máy đến nhiệt độ đã cài đặt Sau đó, không khí ấm được đẩy qua ống dẫn vào chăn sưởi Không khí ấm lưu thông qua các khoang trong chăn, bao phủ cơ thể bệnh nhân bằng một lớp không khí ấm

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

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

Quá trình này được giám sát và điều chỉnh liên tục, nhiệt độ của không khí ấm

và tình trạng của bệnh nhân được theo dõi, và các điều chỉnh cần thiết được thực hiện thông qua bảng điều khiển để duy trì nhiệt độ ổn định và an toàn

2.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID

Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) là vòng điều khiển tổng quát thường được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển có sự phản hồi Bộ điều khiển gồm 3 thông số riêng biệt dùng để điều khiển các khâu, khâu tỉ lệ (P), khâu tích phân (I), khâu đạo hàm (D) Khâu tỉ lệ có giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại đến hệ thống, khâu tích phân có giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ của hệ thống, và khâu vi phân có giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số Tổng của ba giá trị này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như van điều khiển hay nguồn của phần tử gia nhiệt [9]

Hình 2.5 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Khi sử dụng bộ điều khiển PID, cần xác định các thông số giá trị đo thông số biến đổi (Output), giá trị đặt mong muốn (Setpoint) Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị sai số (Error) là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Quá trình tính toán trên được mô tả trong sơ đồ khối của bộ điều khiển theo hình 2.5 Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản về hệ thống điều khiển thì bộ điều khiển PID là sẽ bộ điều khiển tốt nhất Trong bộ điều khiển PID bao gồm

bộ điều khiển PI, PD hay P hoặc I, từng bộ điều khiển sẽ tương ứng yêu cầu sử dụng khác nhau của từng hệ thống Bộ điều khiển PI là bộ điều khiển khá phổ biến, vì đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu gây ra do đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn Về lý thuyết, một

bộ điều khiển có thể được sử dụng để điều khiển bất kỳ một quá trình nào mà có một đầu ra đo được (PV), một giá trị lý tưởng biết trước cho đầu ra (SP) và một đầu vào chu trình (MV) sẽ tác động vào PV thích hợp [9]

Khâu tỉ lệ làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại Đáp ứng tỉ

lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số Kp, được gọi là

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

Ở hình 2.6 bên dưới, mô tả khâu tỉ lệ của bộ điều khiển PID theo công thức (2.1) với các giá trị 𝐾𝑃 , 𝐾I và 𝐾𝐷 theo thời gian Trong đó, 𝐾I và 𝐾𝐷 là 2 giá trị hằng

số, cho biết hệ số của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ Nếu hệ số của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.6 Đồ thị quá trình theo thời gian, tương ứng với ba giá trị 𝐾𝐷, 𝐾𝑃 và 𝐾𝐼 (𝐾𝐼

và 𝐾𝐷 là hằng số)

Khâu tích phân phụ thuộc vào cả mức độ sai số và thời gian xảy ra sai số Tổng các sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta lượng bù đã được hiệu chỉnh Lượng tích lũy này sau đó 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 tất cả các điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích phân [9]

𝐼𝑜𝑢𝑡 = 𝐾𝐼 ∫ 𝑒(𝜏).0𝑡 𝑑(𝜏) (2.2) Trong đó:

● 𝐼𝑜𝑢𝑡 : thừa số tích phân của đầu ra

● 𝐾𝐼: độ lợi tích phân, thông số điều chỉnh

● 𝑒 : sai số = SP - PV

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

● 𝜏: một biến tích phân trung gian Hình 2.7 bên dưới mô tả khâu tích phân của bộ điều khiển PID theo công thức (2.2) với các giá trị 𝐾𝑃 , 𝐾I và 𝐾𝐷 theo thời gian Trong đó, 𝐾𝑃 và 𝐾𝐷 là 2 hằng số Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình tới điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.7 Đồ thị quá trình theo thời gian, tương ứng với ba giá trị 𝐾𝐷, 𝐾𝑃 và 𝐾𝐼 (𝐾𝑃

và 𝐾𝐷 là hằng số)

Tốc độ thay đổi của sai số quá trình được tính toán bằng cách xác định độ dốc của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ này với độ lợi tỉ lệ Biên độ của phân phối khâu vi phân (đôi khi được gọi là tốc độ) trên tất cả các hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ lợi vi phân [9]

𝐷𝑜𝑢𝑡 = 𝐾𝐷 𝑑

Trong đó:

● 𝐷𝑜𝑢𝑡 : thừa số vi phân của đầu ra

● 𝐾𝐷: độ lợi vi phân, thông số điều chỉnh

● 𝑒 : sai số = SP - PV

● 𝑡 : thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại) Hình 2.8 bên dưới mô tả khâu vi phân của bộ điều khiển PID theo công thức (2.3) với các giá trị 𝐾𝑃, 𝐾𝐼 và 𝐾𝐷 theo thời gian Trong đó, 𝐾𝑃 và 𝐾𝐼 là 2 hằng số Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính này là đáng chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển Từ đó, điều khiển vi phân được

sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.8 Đồ thị quá trình theo thời gian, tương ứng với ba giá trị 𝐾𝐷, 𝐾𝑃 và 𝐾𝐼 (𝐾𝑃

và 𝐾𝐼 không đổi)

Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân được cộng lại với nhau từ các phương trình (2.1), (2.2), (2.3) để tính toán đầu ra của bộ điều khiển PID Định nghĩa rằng 𝑢(𝑡) là đầu ra của bộ điều khiển, biểu thức cuối cùng của giải thuật PID là: [9]

𝑢(𝑡) = 𝐾𝑃 𝑒(𝑡) + 𝐾𝐼 ∫ 𝑒(𝜏)0𝑡 𝑑(𝜏) + 𝐾𝐷 𝑑

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

• Độ lợi tỉ lệ 𝐾𝑃 có giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn, bù khâu tỉ lệ càng lớn Một giá trị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dẫn đến quá trình mất ổn định và dao động

• Độ lợi tích phân 𝐾𝐼 có giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh Đổi lại là độ vọt lố càng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái ổn định

• Độ lợi vi phân 𝐾𝐷 có giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại làm chậm đáp ứng quá độ và có thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số [9]

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.3 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG

2.3.1 Vi điều khiển

Vi điều khiển là bo mạch tích hợp bao gồm đầy đủ các tính năng cần thiết của một hệ thống máy tính Các chân trong vi điều khiển có thể được người dùng lập trình

và số lượng chân có thể thay đổi tùy thuộc vào loại vi điều khiển Tốc độ xử lý cao

và khả năng xử lý các hàm logic, đồng thời cũng là một thiết bị có thể được thiết kế với chi phí không quá cao Bo mạch của vi điều khiển thường chứa các linh kiện như

bộ xử lý trung tâm, bộ nhớ, bộ nhớ chỉ đọc, cổng đầu vào và đầu ra, bộ đếm thời gian

và bộ đếm, bộ chuyển đổi analog sang digital, bộ chuyển đổi digital sang analog, cổng giao tiếp nối tiếp, mạch dao động [10]

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 được sử dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực khác nhau bằng việc tạo ra một loạt các thiết bị điện tử khác nhau Hầu hết vi điều khiển được tích hợp trong các thiết bị liên quan đến điều khiển, đo lường, tính toán Ứng dụng đa dạng trong các lĩnh vực như công nghiệp chế tạo ô tô, vi điều khiển được sử dụng để kiểm soát và điều chỉnh công suất của động cơ hay các thiết bị điều khiển và một số thiết

bị ngoại vi khác hay còn đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các thiết bị như máy ảnh kỹ thuật số, màn hình LED hoặc LCD [10]

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.3.2 Cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị dùng để đo nhiệt độ của đối tượng cần đo như: môi trường xung quanh, thân nhiệt con người, Nguyên lý hoạt động dựa trên mối quan hệ giữa điện trở của kim loại và nhiệt độ, có thể hiểu khi nhiệt độ tăng ở mức nào đó thì điện trở cũng sẽ tăng và ngược lại Cảm biến nhiệt độ ghi nhận và chuyển hóa sự thay đổi nhiệt độ thành tín hiệu điện, sau đó tín hiệu này được truyền tới các thiết bị đọc như vi điều khiển và xử lý để hiển thị và lưu giữ thông tin về nhiệt độ [11]

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…),

2.3.3 Relay bán dẫn (Solid State Relay)

Solid State Relay (được gọi tắt là SSR) là một loại công tắc điện tử dùng để điều khiển dòng điện bằng cách sử dụng các thành phần bán dẫn, như transistor hoặc triac, opto-coupler Solid State Relay hoạt động dựa trên tín hiệu điều khiển đi vào đầu vào, tín hiệu kích hoạt một led bên trong opto-isolator Phototransistor hoặc photodiode sẽ phát hiện led khi nó phát sáng, giúp truyền tín hiệu một cách gián tiếp, giúp cách ly điện giữa mạch điều khiển và mạch tải Tín hiệu từ phototransistor sau

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

đó kích hoạt các linh kiện bán dẫn, chúng cho phép dòng điện chạy qua và cung cấp điện cho tải Khi tín hiệu điều khiển tắt, led ngừng phát sáng, làm cho phototransistor ngừng hoạt động và các linh kiện bán dẫn ngừng dẫn điện, ngắt dòng điện qua tải Quá trình này cho phép SSR chuyển mạch nhanh chóng và bền bỉ, không gây ra tia lửa điện, giúp bảo vệ mạch [12]

Hình 2.14 Solid State Relay (SSR)

Solid State Relay được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp và

tự động hóa Trong các hệ thống yêu cầu điều khiển nhiệt độ, SSR được ứng dụng để điều khiển lò nhiệt, máy ép nhiệt và các thiết bị công nghiệp yêu cầu điều khiển nhiệt

độ chính xác Ngoài các ứng dụng về điều khiển nhiệt độ, SSR còn được sử dụng trong hệ thống điều khiển động cơ, hệ thống điều khiển chiếu sáng, SSR còn để bảo

vệ các mạch điện khỏi quá tải và quá áp, giúp tăng độ an toàn và tuổi thọ của thiết bị, trở thành một thiết bị lý tưởng trong nhiều môi trường công nghiệp

2.3.4 Thanh nhiệt điện trở

Thanh nhiệt điện trở là thiết bị cung cấp nhiệt năng thì cấp điện năng vào hai đầu của thiết bị Thanh nhiệt điện trở tỏa ra nhiệt năng thực chất là sự cản trở dòng điện của điện trở cấu tạo bên trong Vật liệu cấu tạo dẫn điện tốt thì điện trở nhỏ, ngược lại vật liệu dẫn điện kém thì điện trở lớn

Hình 2.15 Một số loại thanh nhiệt điện trở

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cấu tạo bên trong của các thanh nhiệt điện trở được mô tả như hình 2.16 chủ yếu có ba lớp: lớp vỏ bọc ngoài, lớp cách điện dẫn nhiệt và dây điện trở Lớp vỏ bọc ngoài thường được cấu tạo nên từ inox hoặc đồng, chế tạo thành ống có phần rỗng bên trong Lớp cách điện dẫn nhiệt thường là MgO (Magie Oxit) dạng bột được nén chặt bên trong ống bọc ngoài, giúp cách điện và dẫn nhiệt tốt, hai đầu dùng gốm sứ

để bịt chặt Phần dây điện trở cấu tạo từ hợp kim có điện trở cao, là phần chính tạo ra nhiệt, thường từ Nichrome [13]

Hình 2.16 Cấu tạo thanh nhiệt điện trở

Ngoài ra, một số loại thanh nhiệt điện trở trong cấu tạo có thêm cánh tản nhiệt Khi có dòng điện đi qua, thanh điện trở nóng lên, nhiệt truyền từ điện trở đến cánh tản nhiệt Phần cánh tản nhiệt này giúp cho nhiệt được tản ra nhanh chóng, tiện lợi cho việc sử dụng

2.4 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM

Trong hầu hết các hệ thống được sử dụng ngày nay, đa số đều sử dụng phần mềm đễ hỗ trợ thực hiện các chức năng của hệ thống Dưới đây là các phần mềm phổ biến thường được sinh viên sử dụng trong các môn học, đồ án ở trường để phục vụ cho việc thiết kế, tạo ra mô hình hoàn thiện đề tài

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

❖ Phần mềm lập trình Arduino IDE

Phần mềm Arduino IDE (Integrated Development Environment) là phần mềm được sử dụng để lập trình các module Arduino cũng như các vi điều khiển khác có thể sử dụng trực tiếp trình biên dịch của Arduino

Hình 2.17 Phần mềm Arduino IDE

Arduino IDE chủ yếu có hai phần cơ bản: trình chỉnh sửa và trình biên dịch Trình chỉnh sửa được sử dụng để viết mã, trong khi trình biên dịch được dùng để biên dịch và tải mã lên module Arduino Môi trường này hỗ trợ lập trình bằng cả ngôn ngữ

Phần mềm này hỗ trợ mô phỏng mạch, thiết kế PCB và mạch in, cùng với các

bộ điều khiển lập trình tích hợp để kết hợp phát triển phần mềm và phần cứng Proteus Professional 8 được sử dụng cho các dự án mô phỏng và gia công PCB ở cả quy mô

cá nhân và công nghiệp [15]

❖ Phần mềm SOLIDWORKS

SOLIDWORKS là một phần mềm thiết kế 3D CAD (Computer-Aided Design) chạy trên hệ điều hành Windows, được phát triển bởi Dassault Systèmes Đây là một công cụ mạnh mẽ và dễ sử dụng, giúp các kỹ sư và nhà thiết kế tạo ra các mô hình 3D chi tiết, lắp ráp các bộ phận và thực hiện các phân tích kỹ thuật SOLIDWORKS cung cấp một loạt các tính năng và công cụ hỗ trợ thiết kế, từ thiết kế sản phẩm, mô phỏng, đến tạo bản vẽ kỹ thuật và sản xuất [16]

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.19 Phần mềm SOLIDWORKS

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 một nền tảng chỉ hoạt động trên hệ điều hành Android giúp người mới bắt đầu với lập trình và phát triển ứng dụng di động một cách dễ dàng Với App Inventor, người dùng không cần có kiến thức lập trình mà vẫn có thể tạo ra ứng dụng cho riêng mình Được xây dựng trên hệ thống web, App Inventor cung cấp một giao diện trực quan giúp người dùng kéo và thả các khối lập trình để xây dựng logic cho ứng dụng của mình App Inventor có thể kết hợp lấy dữ liệu từ Firebase về để người dùng có một ứng dụng hoàn chỉnh nhất [17]

Hình 2.20 Phần mềm MIT App Inventor

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.5 CÁC CHUẨN GIAO THỨC

2.5.1 Giao thức I2C

Giao thức I2C (Inter-Integrated Circuit) là giao thức truyền thông nối tiếp, cho phép người dùng truyền dữ liệu của các thiết bị điện tử như vi điều khiển, cảm biến, LCD, bằng 2 dây truyền SCL và SDA Các bit dữ liệu được truyền từng cái một trên mỗi kênh (SDA) theo các khoảng thời gian được xác định bởi tín hiệu đồng hồ (SCL)

Hình 2.22 Chuẩn giao tiếp I2C

Có thể hiểu đơn giản cách hoạt động của I2C là truyền nhận dữ liệu giữa 2 thiết bị chủ tớ (Master - Slave) được mô tả như hình 2.17 Trong đó, máy chủ (Master)

là vi điều khiển sẽ điều khiển đường dây SCL và gửi nhận tín hiệu thông qua SDA đến các thiết bị khác Chuẩn giao tiếp này cũng có những ưu điểm và nhược điểm riêng Ưu điểm như so với giao tiếp SPI thì I2C chỉ sử dụng hai dây kết nối truyền nhận tín hiệu là SCL và SDA Hỗ trợ nhiều master và nhiều slave Bit ACK / NACK xác nhận mỗi khung được chuyển thành công và phần cứng sẽ ít phức tạp hơn so với UART Đây cũng là một trong những giao thức thông dụng nhất hiện nay Ngoài ưu điểm thì giao thức I2C cũng có một số nhược điểm như mặc dù ít chân kết nối hơn nhưng tốc độ truyền dữ liệu chậm hơn SPI Kích thước của khung dữ liệu bị giới hạn

ở 8 bit và cần phần cứng phức tạp hơn để triển khai so với SPI

2.5.2 Giao thức HTTP Request

HTTP (Hypertext Transfer Protocol) là giao thức tiêu chuẩn của World Wide Web để truyền tải thông tin có thể là hình ảnh, văn bản, âm thanh, từ web server đến web người dùng và ngược lại HTTP hoạt động theo mô hình Máy chủ (Server)

và Máy khách (Client) được minh họa như hình 2.18 bên dưới HTTP Request có thể

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

hiểu là hoạt động gửi dữ liệu từ client lên server Khi nhận được, server sẽ có nhiệm

vụ tìm kiếm và xử lý thông tin đó theo yêu cầu của client HTTP Request có thể tồn tại dưới file text, XML hoặc dạng Json [19]

Hình 2.23 Giao thức HTTP Request

Để thực hiện HTTP Request có nhiều phương thức cơ bản Đây là 2 phương thức được sử dụng phổ biến hiện nay, ngoài ra người dùng có thể dùng các phương thức khác như: Put, Patch, Delete, Head,

• Phương thức Post: phương thức gửi dữ liệu đến Server và có thể thêm mới dữ liệu hoặc cập nhật dữ liệu đã có vào database Thông tin đó sẽ được cập nhật trong phần body request

• Phương thức Get: phương thức được Client gửi dữ liệu lên Server thông qua đường dẫn URL nằm trên thanh địa chỉ của Browser Server sẽ nhận đường dẫn

đó và phân tích trả về kết quả

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Sau khi đã có các cơ sở lý thuyết ở Chương 2, tiếp theo ở chương này trình bày về các tính toán và thiết kế của hệ thống Tính toán và thiết kế sơ khối, trình bày chức năng của từng khối Trình bày về lựa chọn linh kiện cho từng khối, sơ đồ nguyên

lý toàn mạch

3.1 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 giúp mô tả tổng quan các thành phần của một hệ thống Từ đó giúp dễ dàng xác định được mục tiêu cũng như định hướng lựa chọn các linh kiện cho từng phần

Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

Theo sơ đồ khối như hình 3.1 thì mô hình gồm hai thành phần chính: vòng tay

đo thân nhiệt bệnh nhân và hệ thống điều khiển trung tâm 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 và một mạch chuyển đổi thành nguồn 5VDC cho khối xử lý trung tâm, khối hiển thị và khối cảm biến

Khối xử lý trung tâm: Vi điều khiển sẽ nhận dữ liệu thân nhiệt bệnh nhân từ khối điều khiển của vòng tay và dữ liệu nhiệt độ chăn từ khối cảm biến, sau đó xử lý

và gửi tín hiệu đóng ngắt relay để thực hiện quá trình gia nhiệt thổi khí vào chăn, điều khiển khối hiển thị các dữ liệu nhiệt độ để theo dõi

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: Giúp tăng giảm giá trị cài đặt và dừng hoặc chạy hệ thống Khối giám sát từ xa: Khối xử lý trung tâm gửi dữ liệu nhiệt độ lên 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

Để lựa chọn được linh kiện phù hợp cho khối điều khiển, tiến hành khảo sát trên thị trường tìm các vi điều khiển đặc trưng, phổ biến So sánh các ưu điểm và nhược điểm để từ đó dựa vào yêu cầu đặt ra, lựa chọn được linh kiện phù hợp Khối điều khiển có chức năng điều khiển chính các thành phần còn lại của mạch

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

Bảng 3.1 So sánh các loại vi điều khiển

- Nhiều chân kết nối

- Kích thước: 5 x 2.5 cm

- Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino

- Nhiều chân kết nối

- Có thể kết nối và truyền dữ liệu bằng Wifi

- Kích thước: 3.42 x 2.56cm

- 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

- 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

- Tránh việc sử dụng nhiều linh kiện làm mạch có thể bị to nên cần chọn

vi điều khiển có chức năng kết nối Wifi để truyền dữ liệu đến hệ thống chính

- Tốc độ xử lý nhanh

Dựa vào những tiêu chí trên đề tài lựa chọn Wemos D1 Mini cho khối điều khiển của vòng tay đo thân nhiệt bệnh nhân với chức năng nhận dữ liệu thân nhiệt từ cảm biến và gửi về hệ thống xử lý trung tâm với kích thước nhỏ 3.42x2.56cm, số chân gồm 16 chân trong khi đề tài chỉ cần sử dụng bốn chân, tốc độ xử lý 80-160Mhz

có thể xem là khá nhanh trong các vi điều khiển vì đây là hệ thống kiểm soát thân nhiệt bệnh nhân nên cần một vi điều khiển có tốc độ xử lý nhanh để kịp gửi về dữ liệu cho hệ thống trung tâm

Wemos D1 Mini (Kit RF Thu Phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua D1 Mini)

là board mạch được thiết kế nhỏ gọn có tích hợp Wifi và tương thích trình biên dịch Arduino, hoàn toàn thích hợp để thực hiện quy trình tiếp nhận dữ liệu từ cảm biến và truyền dữ liệu sang vi điều khiển khác bằng 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 dùng để giao tiếp UART Chân D1 và D2 lần lượt là SCL và SDA, là 2 chân dùng

để kết nối với vi điều khiển theo giao thức I2C Chân D5, D6 và D7 dùng để kết nối theo giao thức SPI, lần lượt là SCK, MISO, MOSI Chân G là chân nối đất Có thể cấp nguồn thông qua USB Micro 5VDC hay vào hai chân tương ứng 3.3V hoặc 5V cho vi điều khiển Bên cạnh đó, vi điều khiển còn có hỗ trợ kết nối wifi