Thiết kế chế tạo cân điện tử dành cho bệnh nhân người lớn

MỤC LỤC Mục lục .1 Lời cảm ơn Lời cam đoan .5 Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt .6 Danh mục bảng biểu luận văn Danh mục hình vẽ, đồ thị luận văn Lời nói đầu 11 CHƢƠNG : ĐẶT VẤN ĐỀ 13 1.1 Khảo sát tình hình thực tế 13 1.2 Yêu cầu thiết kế 15 CHƢƠNG : PHÂN TÍCH HỆ THỐNG 18 2.1 Sơ đồ khối chức 18 2.2 Khối nguồn 19 2.3 Khối cảm biến 20 2.3.1 Nguyên lý hoạt động Loadcell .20 2.3.2 Phân loại Loadcell 22 2.4 Khối chuyển đổi tương tự số ( ADC) 26 2.4.1 Sơ đồ khối chung ADC 27 2.4.2 Các tiêu kỹ thuật quan trọng ADC 27 2.4.3 Các bước chuyển đổi AD 28 2.4.4 Các dạng mạch ADC 30 2.5 Khối xử lý trung tâm 36 2.5.1 Một số đặc điểm khác vi xử lí VĐK 37 2.5.2 Phân loại loại VĐK 37 2.5.3 Cấu trúc tổng quan VĐK 38 2.6 Khối giao tiếp với người sử dụng 39 2.6.1 Khối nút bấm điều khiển 40 2.6.2 Khối hiển thị 40 2.6.3 Khối báo hiệu 41 2.7 Khối đếm thời gian thực 42 2.7.1 Giới thiệu chung giao thức I2C 42 2.7.2 Phương thức hoạt động giao thức I2C 43 2.8 Máy in 50 2.8.1 Baud rate (tốc độ Baud) 51 2.8.2 Frame (khung truyền) 51 CHƢƠNG : THIẾT KẾ MẠCH 53 3.1 Khối cảm biến 53 3.1.1 Loadcell MAVIN 200kg 53 3.1.2 Thông số kỹ thuật Loadcell MAVIN 200kg 53 3.2 Khối chuyển đổi tương tự số 54 3.2.1 Một số tính ADC 24-bit HX711 55 3.2.2 Sơ đồ khối ADC 24-bit HX711 56 3.2.3 Sơ đồ chân ADC 24-bit HX711 56 3.2.4 Sơ đồ thiết kế khối chuyển đổi tương tự số sử dụng ADC 24-bit HX711 58 3.3 Khối xử lý trung tâm (Vi điều khiển) …………………………………… 59 3.3.1 Đặc điểm chung vi điều khiển ATmega32 59 3.3.2 Sơ đồ khối Atmega32 61 3.3.3 Sơ đồ kiến trúc Atmega32 63 3.3.4 Bộ nhớ SRAM 65 3.3.5 Bộ nhớ EEFROM 66 3.3.6 Sơ đồ chân Atmega32 68 3.3.7 Chức chân Atmega32 69 3.3.8 Mạch thiết kế khối xử lý trung tâm sử dụng ATmega32 72 3.4 Khối giao tiếp với người sử dụng … … ………………………………… 73 3.4.1 Khối nút bấm 73 3.4.2 Khối hiển thị 73 3.4.3 Khối báo hiệu 77 3.5 Khối đếm thời gian thực 78 3.5.1 Sơ đồ khối IC DS11307 78 3.5.2 Sơ đồ chân IC DS1307 81 3.5.3 Sơ đồ thiết kế khối điếm thời gian thực sử dụng IC DS1307 82 3.6 Khối máy in 83 3.7 Mạch nguyên lý hoàn chỉnh thiết kế 84 3.8 Mạch in hoàn thiện thiết kế 84 3.9 Thiết kế khí cân điện tử……………………………… ………… 85 3.10 Kết đo trọng lượng thiết bị cân lắp đặt hoàn chỉnh…….…95 KẾT LUẬN 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO 97 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành chương trình cao học làm Luận văn này, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy, cô giáo, cán bộ, nhân viên Ban giám hiệu, Viện Đào tạo sau đại học, Viện Điện tử - Viễn thông, môn công nghệ điện tử & Kỹ thuật điện tử y sinh trường Đại học Bách khoa Hà Nội nhiệt tình truyền đạt kiến thức quý báu giúp đỡ, tạo điều kiện cho suốt q trình học tập hồn thành Luận văn Thạc sĩ Qua tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Nguyễn Phan Kiên, người trực tiếp bảo, tận tâm hướng dẫn, định hướng cho suốt q trình nghiên cứu hồn thành Luận văn Thạc sĩ Tôi c ng in chân thành cảm ơn c c thầy c hội đ ng chấm uận văn, anh, em bạn bè, đ ng nghiệp bệnh viện có đ ng g p ý kiến qu b u để tơi hồn chỉnh uận văn Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 09 năm 2014 Học viên Ks Lê Xuân Cảnh LỜI CAM ĐOAN Ngoài giúp đỡ hướng dẫn giảng viên TS Nguyễn Phan Kiên, luận văn sản phẩm q trình tìm tịi, nghiên cứu tác giả vấn đề đặt luận văn Mọi số liệu kết cấu khí, thiết kế mạch, phân tích, đánh giá, kết luận tài liệu nhà nghiên cứu khác trích dẫn theo quy định Vì vậy, tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thiết kế chế tạo cân điện tử dành cho bệnh nhân người lớn riêng tác giả Hà nội, th ng 09 năm 2014 Tác giả Ks Lê Xuân Cảnh DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT RS-232 ADC EEPROM A/D D/A VAX VA ECO LSB DC NAND EOC SAC VXL VĐK AVR CPU CISC ALU RTC SDA ACK MSB UART RTC PWM SP LPM CH Recommended Standard 232 Analog-to digital Converter Electrically erasable programmable read - only memory Analog to Digital Digital – Analog Virtual Access Extension Vertical Amplifier Electronic-coupled oscillator Least significant bit Direct Curent Not and End Of Conversion Successive Approximation Conveter Vi xử lý Vi điều khiển Automatic volume recognition Central Processing Unit Complex instruction set computer Arithmetic and Logic Unit Real-time Clock Screen design aid Acknowledge character Most significant bit Universal asynchronous receivertransmitter Road tank car Pulse width modulation Service point Load program memory Clock halt DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN Bảng 1.1: Tính cân đo SCALE-TRONIX 2002 15 Bảng 1.2: Yêu cầu thiết kế thiết bị 17 Bảng 2.1: Bảng phân loại Loadcell theo cách đặt Strain Gauge 22 Bảng 2.2: Bảng phân loại Loadcell theo chiều tác dụng lực 23 Bảng 2.3: Bảng phân loại Loadcell theo hình dạng 24 Bảng 2.4: So sánh ưu điểm, nhược điểm Loadcell số Loadcell tương tự 26 Bảng 2.5: Bảng chuyển đổi tương tự số ADC nhanh 3bit 36 Bảng 2.6: Bảng chức nút bấm 40 Bảng 2.7: Bảng thích chế độ LED báo hiệu 41 Bảng 3.1: Bảng thông số kỹ thuật Loadcell MAVIN 200kg 54 Bảng 3.2: Bảng thích chi tiết chân IC HX711 57 Bảng 3.3: Bảng chức chân điều khiển Port B vi điều khiển ATmega32 70 Bảng 3.4: Bảng chức chân điều khiển Port C vi điều khiển ATmega32 71 Bảng 3.5: Bảng chức chân điều khiển Port D vi điều khiển ATmega32 71 Bảng 3.6: Bảng tính máy in nhiệt CSN 2A 83 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TRONG LUẬN VĂN Hình 1.1: Thiết bị cân SCALE TRONIX 2002 14 Hình 1.2: Bảng điều khiển thiết bị cân SCALE-TRONIX 2002 15 Hình 2.1: Sơ đồ khối chức hệ thống 18 Hình 2.2: Sơ đồ khối nguồn sử dụng nạp ác quy 12V – DC 19 Hình 2.3: Sơ đồ khối nguồn sử dụng điện áp dân dụng 20 Hình 2.4: Sơ đồ khối cảm biến 20 Hình 2.5: Cấu tạo Strain Gauge 21 Hình 2.6: Mạch cầu điện trở Wheatstone 21 Hình 2.7: Sơ đồ khối ADC 27 Hình 2.8: Tín hiệu tương tự tín hiệu số sau lấy mẫu 29 Hình 2.9: Mạch lấy mẫu mạch nhớ mẫu 30 Hình 2.10: Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động ADC sóng bậc thang 31 Hình 2.11: Sơ đồ khối ADC liên tiếp xấp xỉ 33 Hình 2.12: Lưu đồ hoạt động ADC liên tiếp xấp xỉ 34 Hình 2.13: Cấu tạo ADC nhanh độ phân giải bit 35 Hình 2.14: Cấu tạo LED Cathode Chung Anode Chung 41 Hình 2.15: Các thiết bị sử dụng giao tiếp I2C 43 Hình 2.16: Giao tiếp I2C đơn giản: 43 Hình 2.17: Truyền nhận liệu thiết bị chủ thiết bị tớ 44 Hình 2.18: Điều kiện START STOP bus I2C 45 Hình 2.19: Quá trình truyền nhận bit liệu 46 Hình 2.20: Dữ liệu truyền bus I2C 47 Hình 2.21: Bit ACK bus I2C 47 Hình 2.22: Lưu đồ thuật tốn q trình truyền nhận liệu 47 Hình 2.23: Cấu trúc byte liệu 48 Hình 2.24: Quá trình truyền liệu 49 Hình 2.25: Ghi liệu từ chủ đến tớ 49 Hình 2.26: Ghi liệu từ tớ đến chủ 50 Hình 2.27: Truyền liệu nối tiếp không đồng UART 52 Hình 3.1: Hình ảnh thực tế Loadcell MAVIN 200kg 53 Hình 3.2: Cấu tạo khí Loadcell MAVIN 200kg 53 Hình 3.3: Sơ đồ khối IC HX711 56 Hình 3.4: Sơ đồ chân IC HX711 56 Hình 3.5: Sơ đồ thiết kế khối chuyển đổi tương tự số sử dụng ADC 24-bit HX711 58 Hình 3.6: Sơ đồ khối vi điều khiển ATmega32 61 Hình 3.7: Sơ đồ kiến trúc vi điều khiển ATmega32 63 Hình 3.8: Cấu trúc nhớ SRAM vi điều khiển ATmega32 65 Hình 3.9: : Tổ chức bit ghi EEAR 66 Hình 3.10: Tổ chức bit ghi EEDR 66 Hình 3.11: Tổ chức bit ghi EECR 67 Hình 3.12: Sơ đồ chân vi điều khiển ATmega32 68 Hình 3.13: Sơ đồ chân vi điều khiển ATmega32 69 Hình 3.14: Mạch thiết kế vi điều khiển ATmega32 72 Hình 3.15: Mạch thiết kế khối nút bấm 73 Hình 3.16: Cấu tạo chân LED số 74 Hình 3.17: Cấu tạo chân LED số 74 Hình 3.18: Sơ đồ khối IC 74HC595 75 Hình 3.19: Sơ đồ chân IC 74HC595 76 Hình 3.20: Sơ đô mạch thiết kế IC 74HC595 76 Hình 3.21: Sơ đồ mạch thiết kế quét LED 77 Hình 3.22: Sơ đồ thiết kế khối báo hiệu 78 Hình 3.23: Sơ đồ khối IC DS1307 79 Hình 3.24: Tổ chức ghi thời gian nhớ IC DS1307 80 Hình 3.25: Tổ chức bit ghi thời gian 80 Hình 3.26: Sơ đồ chân IC DS1307 81 Hình 3.27: Sơ đồ thiết kế khối thời gian thực 82 Hình 3.28: Mạch ngun lý hồn chỉnh 84 Hình 3.29: Mạch in bảng mạch giao tiếp 84 Hình 3.30: Mạch in bảng mạch xử lý 85 Hình 3.31: Mơ thiết kế khí loadcell………………………………… 85 Hình 3.32: Thiết kế giá treo thiết bị cân…………………………………………86 Hình 3.33: Hệ thống giá treo kết hợp với LoadCell………………………………….86 Hình 3.34: Phần thân hồn chỉnh cân……………………………………….87 Hình 3.35: Phần đế chân hồn chỉnh cân………………………………… …….87 Hình 3.36: Hệ thống củ bơm thủy lực……………………………………………… 88 Hình 3.37: Hệ thống tay bơm trục nâng pittong thủy lực……………… … 89 Hình 3.38: Hệ thống bơm thủy lực mơ hình 3D………………… 89 Hình 3.39: Hệ thống phía trục bơm thực tế……………………………….90 Hình 3.40: Hệ thống pittong thủy lực lắp ráp hoàn chỉnh………………… ….91 Hình 3.41: Hệ thống hồn chỉnh phần khí điện tử…………………… ….92 Hình 3.42: Hệ thống hồn chỉnh cân nhìn từ trái sang phải………………… …93 Hình 3.43: Hình ảnh thực tế hệ thống hồn chỉnh cân bệnh nhân nhìn từ phía trước nhìn từ phía sau…………………………………………………………… 93 Hình 3.44: Hệ thống hồn chỉnh cân nhìn từ trước lại từ đường sau nhìn lại 94 Hình 3.45: Kết đo 1……………………… …………………………………….95 Hình 3.46: Kết đo ……………………………………………………………95 10 3.6 Khối máy in Bảng 3.4: Bảng tính máy in nhiệt CSN 2A In Ký tự Giấy in Phƣơng thức in In nhiệt theo dòng Tốc độ in 50-80mm/s Độ phân giải dots/mm, 384 dots/line Chiều dài in 48mm Mã ký tự ASCII Font ký tự ANK:(8x16,9x17,9x24,12×24), Chinese: 24×24 Loại giấy in Giấy in nhiệt Chiều rộng giấy in 57.5± 0.5mm Đƣờng kính cuộn giấy 39mm Giao tiếp RS-232/TTL/Parallel/USB Nguồn cấp điện DC5V-9V/12V Nhiệt độ hoạt động 5°C ~ 50°C Mội Độ ẩm hoạt động 10% ~ 80% trƣờng Nhiệt độ bảo quản -20°C ~ 60°C Độ ẩm bảo quản 10% ~ 90% 83 3.7 Mạch nguyên lý hoàn chỉnh thiết kế Hình 3.23: Mạch ngun lý hồn chỉnh 3.8 Mạch in hồn thiện thiết kế Hình 3.24: Mạch in bảng mạch giao tiếp 84 Hình 3.25: Mạch in bảng mạch xử lý 3.9 Thiết kế khí thiết bị Sau thiết kế xong mạch điều khiển cho thiết bị, em tiến hành vẽ thiết kế khí cân gần giống với thiết bị cân bệnh nhân giường sử dụng bệnh viện Bạch Mai Tuy nhiên Loadcell em sử dụng có hình dáng, cấu tạo khác với Loadcell cân mà bệnh viện sử dụng nên em thiết kế lại hệ thống giá treo gắn với Loadcell đảm bảo thẩm mỹ kỹ thuật an toàn cân bệnh nhân di chuyển cân 85 Hình 3.26: Mơ thiết kế khí Loadcell Hình 3.27: Thiết kế giá treo thiết bị cân Hình 3.28: Hệ thống giá treo kết hợp với LoadCell 86 Hình 3.29: Phần thân hồn chỉnh cân Hình 3.35: Phần đế chân hồn chỉnh cân 87 Đầu đẩy pittơng Đường kính 32mm Đường kính 70mm Lỗ bơm 13mm Van xả dầu Ren 10mm Van chiều Van1chiều 85mm Cao 95mm Đầu bơm thủy lực Hình 3.36: Hệ thống củ bơm thủy lực 88 Lỗ 3mm 30mm Dày 2mm Đường kính trục 26mm Tay bơm thủy lực Cao 460mm Đường kính 15mm Cúp ben, đường kính 13mm Cúp ben thủy lực 32mm Hình 3.37: Hệ thống tay bơm trục nâng pittong thủy lực Hình 3.38: Hệ thống bơm thủy lực mơ hình 3D 89 Hình 3.39: Hệ thống phía trục bơm thực tế 90 Hình 3.40: Hệ thống pittong thủy lực lắp ráp hoàn chỉnh 91 Hình 3.41: Hệ thống hồn chỉnh phần khí điện tử 92 Hình 3.42: Hệ thống hồn chỉnh cân nhìn từ trái sang phải Hình 3.43: Hình ảnh thực tế hệ thống hoàn chỉnh cân bệnh nhân nhìn từ phía trước nhìn từ phía sau 93 Hình 3.44: Hình ảnh thực tế cân điện tử dành cho bệnh nhân người lớn sau làm hoàn chỉnh đưa vào sử dụng 94 3.10 Kết đo trọng lƣợng thiết bị cân hoàn thiện Hình 3.45: Kết đo Hình 3.46: Kết đo 95 KẾT LUẬN  Kết đạt đƣợc - Thiết kế hồn chỉnh phần khí mạch điều khiển đáp ứng đầy đủ chức - Thiết kế nguồn xạc ác quy 12V DC sau chuyển xuống 9V DC dùng cho nguồn vào, làm tăng thời gian sử dụng liên tục cho thiết bị lên tới 5-10 ngày phải xạc lại lần - Cân hoạt động ổn định, đo giá trị trọng lượng bệnh nhân xác với yêu cầu kỹ thuật đưa - Mạch pittong thủy lực có sẵn, sẵn sàng thay mạch điều khiển pittong bị hỏng  Hạn chế tồn - Giao diện giao tiếp với người sử dụng chưa thân thiện - Thiết kế phần khung cân độ xác chưa cao  Hƣớng phát triển đề tài - Hoàn thiện giao diện giao tiếp với người sử dụng - Thiết kế phần khí đạt độ xác cao, đạt thẩm mỹ kỹ thuật sử dụng - Lưu trữ liệu bệnh nhân vào máy tính giao tiếp khơng dây - Mạch bảo vệ cho khối nguồn - Thiết kế chế tạo cân bệnh nhân tích hợp giường cấp cứu đa 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1/ Phạm Văn Tuân, Hán Trọng Thanh, Đỗ Quang Ngọc, Phạm Văn Biên, Kỹ thuật Đo lường Tự động Điều khiển, NXB Bách Khoa – Hà Nội, 10/2008 2/ Ngô Diên Tập, Kỹ thuật vi điều khiển với AVR, NXB KHKT, 2003 3/ Phan Quốc Phơ, Nguyễn Đức Chiến, Giáo trình cảm biến, NXB KHKT, 2006 4/ Tài liệu hướng dẫn thiết kế kỹ thuật, lưu hành nội bộ, công ty TNHH công nghệ ứng dụng Bách Khoa 5/ Bài giảng thiết kế phát triểnthiết bị điện tử y tế TS Nguyễn Phan Kiên 6/ Tài liệu hướng dẫn sử dụng cân điện tử giường hãng Scale – Tronix mỹ sản xuất 97 ... “ Thiết kế chế tạo cân điện tử dành cho bệnh nhân ngƣời lớn ” Với ý tưởng thiết kế chế tạo cân điện tử dành cho bệnh nhân người lớn, di chuyển nơi khoa phòng bệnh viện cân bệnh nhân giường bệnh. .. thở cho bệnh nhân bắt buộc phải cân bệnh nhân sau dựa vào cân nặng, bệnh lý bệnh nhân để đặt thông số thở, mà bệnh nhân bệnh nhân nặng, gặp nhiều khó khăn việc di chuyển Hiện cân điện 11 tử dành. .. chất lượng điều trị cho bệnh nhân ngày tốt 12 CHƢƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ Phần tơi trình bày khảo sát tình hình thực tế thiết bị thiết cân điện tử dành cho bệnh nhân người lớn sử dụng bệnh viện Bạch Mai,