Thiết kế chế tạo máy ủ ẩm dịch truyền dùng cho bệnh nhân nặng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN PHƯƠNG NGỌC THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY Ủ ẤM DỊCH TRUYỀN DÙNG CHO BỆNH NHÂN NẶNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Y sinh LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT Y SINH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS TS NGUYỄN ĐỨC THUẬN Hà Nội - 2018 LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập nghiên cứu, với giúp đỡ bảo tận tình thầy giáo, động viên khích lệ gia đình, đồng nghiệp bạn bè với cố gắng thân, tơi hồn thành đề tài luận văn “Thiết kế, chế tạo máy ủ ấm dịch truyền dùng cho bệnh nhân nặng” Với tình cảm chân thành, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới GS TS Nguyễn Đức Thuận người hướng dẫn, giúp đỡ, bảo tơi tận tình suốt q trình thực đề tài Tơi xin chân thành cảm ơn Viện đào tạo sau đại học, Viện Điện tử viễn thông Đại học Bách khoa Hà Nội, thầy cô giáo tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tơi q trình học tập, nghiên cứu thực luận văn Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp vơ q báu thầy cô giáo, đồng nghiệp, bạn bè giúp đỡ tơi hồn thành đề tài luận văn Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày …… tháng …… năm 201 Học viên Nguyễn Phương Ngọc MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH SÁCH HÌNH VẼ DANH SÁCH BẢNG BIỂU PHẦN MỞ ĐẦU 10 Lý chọn đề tài 12 Mục đích nghiên cứu luận văn 13 a Yêu cầu chức 13 b Yêu cầu phi chức 13 Các phương án thực 13 a Phương án 16 b Phương án 17 c Lựa chọn phương án thực 16 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 18 1.1 Thuật toán điều khiển PID 21 1.1.1 Giới thiệu điều khiển PID 21 1.1.2 Khâu P 21 1.1.3 Khâu I 22 1.1.4 Khâu D 23 1.1.5 Tổng hợp khâu – Bộ điều khiển PID 24 1.1.6 Rời rạc hóa điều khiển PID 25 1.2 Thiết kế điều khiển PID 27 1.2.1 Sử dụng hàm độ đối tượng (Ziegler – Nichols 1) 29 1.2.2 Sử dụng giá trị tới hạn từ thực nghiệm (Ziegler – Nichols 2) 30 1.3 Sơ lược vấn đề truyền nhiệt 32 1.3.1 Vấn đề truyền nhiệt 32 1.3.2 Tác dụng keo tản nhiệt 33 1.4 Thiết bị, dụng cụ số tiêu chuẩn y tế 34 1.4.1 Dây truyền dịch 34 1.4.2 Chai dịch truyền/túi dịch truyền 35 1.4.3 Cách tính tốc độ truyền 35 CHƯƠNG PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MÁY Ủ ẤM DỊCH TRUYỀN 33 2.1 Sơ đồ khối 33 2.1.1 Sơ đồ khối 33 2.1.2 Chức khối 33 2.2 Giới thiệu linh kiện thiết bị 33 2.2.1 Kiến trúc vi điều khiển AT89C52 33 2.2.2 Peltier Cooler 12706 36 2.2.3 Sử dụng nhiêt nhôm 363 2.2.4 Nhiệt điện trở NTC 44 2.2.5 Cảm biến nhiệt độ LM35 365 2.2.6 Khối ADC 0809 46 2.2.7 Màn hình hiển thị LCD 16x2 48 2.2.8 LM 7805 46 2.2.9 IRFZ44N 46 2.2.10 TLP 250 47 2.3 Các phần mềm hỗ trợ 48 2.3.1 Proteus 7.8 sp2 48 2.3.2 Orcad 9.2 48 2.3.3 CCS 4.104 50 2.3.4 Solidworks 2010 50 CHƯƠNG THIẾT KẾ CHI TIẾT MÁY Ủ ẤM DỊCH TRUYỀN 52 3.1 Thiết kế chi tiết khối 52 3.1.1 Thiết kế khối nguồn 52 3.1.2 Thiết kế khối cảm biến 52 3.1.3 Thiết kế khối công suất khối gia nhiệt 55 3.1.4 Thiết kế khối điều khiển 60 3.1.5 Thiết kế khối hiển thị mạch LCD 16x2 62 3.1.6 Sơ đồ khối tổng thể 63 3.1.7 Thiết kế vỏ 63 3.1.7.1 Bản vẽ thiết kế vỏ sản phẩm 64 3.1.7.2 Bản vẽ chi tiết khối gia nhiệt 637 CHƯƠNG CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ 69 4.1 Chế tạo mạch in hộp máy 69 4.2 Thuật toán điều khiển 67 4.2.1 Lưu đồ chương trình PID: 67 4.2.2 Các thông số 671 4.2.3 Phương pháp xác định hệ số 68 4.3 Kế thử nghiệm 69 4.3.1 Xác định Kp 69 4.3.2 Xác định Kd 74 4.3.3 Xác định Ki 77 4.3.4 Kết thực nghiệm nhiệt độ dịch truyền đầu 78 KẾT LUẬN 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADC: Analog to Digital Converter – chuyển đổi tương tự - số CNC: Computerized Numerically Controlled – Máy điều khiển máy tính CPU: Central Processing Unit – đơn vị xử lý trung tâm D: Derivative – vi phân I: Integral – tích phân LCD: Liquid Crystal Display – hình tinh thể lỏng NTC: Negative Temperature Coefficient – nhiệt điện trở nghịch PCB: Printed Circuit Board – bảng mạch in PID : Proportional Integral Derivative – điều khiển vi tích phân tỉ lệ P: Proportional – tỉ lệ PWM: Pulse Width Modulation – module điều khiển độ rộng xung TE: ThermoElectric DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1: Mơ hình máy sưởi ấm dịch truyền 16 Hình 2: Máy sưởi ấm dịch truyển tốc độ cao 17 Hình 3: Thiết bị sưởi ấm dịch truyền tốc độ thấp 18 Hình 4: Đồ thị thể nhiệt độ dịch truyền đầu 16 Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển PID 21 Hình 1.2 Sơ đồ khối khâu P 22 Hình 1.3 Đáp ứng khâu P 22 Hình 1.4 Đáp ứng khâu I PI 23 Hình 1.5 Đáp ứng khâu D PD 24 Hình 1.6 Sơ đồ khối điều khiển PID 24 Hình 1.7 Đáp ứng PID 25 Hình 1.8 Sơ đồ khối PID 26 Hình 1.9 Xác định tham số cho mơ hình xấp xỉ bậc có trễ a 28 Hình 1.10 Xác định tham số cho mơ hình xấp xỉ bậc có trễ b……………29 Hình 1.11 Mơ hình điều khiển với Kgh 31 Hình 1.12 Xác định hệ số khuếch đại tới hạn………………………………….31 Hình 1.13 Tản nhiệt 32 Hình 1.14 Tản nhiệt 32 Hình 1.15 Tản nhiệt 32 Hình 1.16 Đối lưu nhiệt thùng chứa 33 Hình 1.17 Keo tản nhiệt 33 Hình 1.18 Tác dụng keo tản nhiệt cho làm mát 34 Hình 1.19 Tác dụng keo tản nhiệt làm mát CPU 34 Hình 2.1 Sơ đồ khối thiết bị 33 Hình 2.2 Vi điều khiển AT89C52 33 Hình 2.3 USB vi điều khiển AT89C52 34 Hình 2.4 Sơ đồ chân vi điều khiển AT89C52 35 Hình 2.5 Cấu tạo Peltier 37 Hình 2.6 Sự truyển tải nhiệt 37 Hình 2.7 Thơng số hình ảnh Peltier 38 Hình 2.8 Đặc tuyến peltier cool TEC 12706 39 Hình 2.9 Nhiệt điện trở NTC 44 Hình 2.10 Đồ thị mối quan hệ R R0 41 Hình 2.11 IC 7805 45 Hình 2.12 Mosfet IRFZ44N 47 Hình 2.13 Màn hình hiển thị LDC 16x2 47 Hình 2.14 IC 7805 50 Hình 2.15 Mos Fet TRFZ 44N 50 Hình 2.16 Thơng số sơ đồ chân MOSFET 47 Hình 2.17 Sơ đồ chân TLP250 47 Hình 2.18 Giao diện phần mềm 48 Hình 2.19 Màn hình khởi động phần mềm Proteus 48 Hình 2.20 Giao diện khởi động orcad 49 Hình 2.21 Giao diện Capture Orcad 49 Hình 2.22 Giao diện layout Orcad 50 Hình 2.23 Chọn PIC Wizard 50 Hình 2.24 Giao diện khởi động SolidWorks 51 Hình 3.1 Mạch nguyên lý khối nguồn 52 Hình 3.2 Mạch nguyên lý khối cảm biến 53 Hình 3.3 Mạch nguyên lý khối công suất khối gia nhiệt 55 Hình 3.4 Mạch nguyên lý khối vi điều khiển 61 Hình 3.5 Thiết kế chi tiết khối hiển thị 62 Hình 3.6 Mạch nguyên lý tổng thể 63 Hình 3.7 Mơ hình thiết bị lắp gia nhiệt 614 Hình 3.8 Đáy vỏ 61 Hình 3.9 Nắp vỏ 62 Hình 3.10 Mơ hình vỏ gỗ tổng thể 62 Hình 3.10 Bản vẽ chi tiết gia nhiệt 63 Hình 3.13 Bản vẽ chi tiết gia nhiệt 63 Hình 3.14 Vỏ gỗ thiết bị sưởi ấm dịch truyền 64 Hình 3.15 Tấm gia nhiệt nhơm 64 Hình 3.16 Sản phẩm thiết bị sưởi ấm dịch truyền 65 Hình 4.1 Sơ đồ gia cơng khối mạch 66 Hình 3.2 Mạch in thiết kên Orcad 66 Hình 3.3 Mạch thi cơng thực tế 67 Hình 3.4 Lưu đồ chương trình PID 67 Hình 3.5 Đồ thị trình xác lập điều khiển PID 68 Hình 4.6 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp =1 70 Hình 4.7 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp=2 70 Hình 4.8 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp=3 71 Hình 4.9 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp= 71 Hình 4.10 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp= 71 Hình 4.11 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp =6 72 Hình 4.12 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp=7 72 Hình 4.13 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp=8 72 Hình 4.14 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp=9 73 Hình 4.15 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp=10 73 Hình 4.16 Biểu đồ so sánh Kp dựa độ vọt lố thời gian xác lập 73 Hình 4.17 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.1 74 Hình 4.18 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.2 74 Hình 4.19 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.3 75 Hình 4.20 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.4 75 Hình 4.21 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.5 75 Hình 4.22 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.6 76 Hình 4.23 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với Kd=1 76 Hình 4.24 Biểu đồ so sánh hệ số Kd dựa độ vọt lố thời gian xác lập 76 Hình 4.23 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với hệ số Ki= 0.1 77 Hình 4.26 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với hệ số Ki= 0.2 77 Hình 4.27 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với hệ số Ki= 0.1 77 Hình 4.28 Nhiệt độ dịch truyền với nhiệt độ gia nhiệt 370C 78 Hình 4.29 Nhiệt độ dịch truyền với nhiệt độ gia nhiệt 380C 78 Hình 4.30 Nhiệt độ dịch truyền với nhiệt độ gia nhiệt 390C 79 Hình 4.31 Nhiệt độ dịch truyền với nhiệt độ gia nhiệt 400C 79 Hình 4.32 Đồ thị quan hệ nhiệt độ tốc độ truyền 79 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng Thông số thiết bị sưởi ấm dịch truyền 18 Bảng So sánh hai phương án 17 Bảng Tính tốn thơng số cho điều khiển PID………………………… 29 Bảng Xác định thông số điều khiển PID dựa vào thực nghiệm 31 Bảng Bảng mô tả chức chân vi điều khiển 40 Bảng Bảng thật TLP 250 47 Bảng Bảng chỉnh hệ số 69 Hình 4.8 Đồ thị nhiệt đợ gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp=3 Kp=4: Hình 4.9 Đồ thị nhiệt đợ gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp= Kp=5: Hình 4.10 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp= 71 Kp=6: Hình 4.11 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp =6 Kp=7: Hình 4.12 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp=7 Kp=8: Hình 4.13 Đồ thị nhiệt đợ gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp=8 72 Kp=9: Hình 4.1014 Đồ thị nhiệt đợ gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp=9 Kp=10: Hình 4.13 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp=10 Nhậnxét Hình 4.11 Biểu đồ so sánh Kp dựa độ vọt lố và thời gian xác lập 73 Chọn Kp = 6, có cân độ vọt lố thời gian đáp ứng (độ vọt lố thấp, thời gian đáp ứng nhanh) 4.3.2 Xác định Kd Kết thực nghiệm xác định hệ số Kd với Kp=6, Ki=0 Kd=0.1 Hình 4.17 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.1 Kd=0.2 Hình 4.18 Đồ thị nhiệt đợ gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.2 74 Kd=0.3 Hình 4.19 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.3 Kd=0.4 Hình 4.20 Đồ thị nhiệt đợ gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.4 Kd=0.5 Hình 4.21 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.5 75 Kd=0.6 Hình 4.22 Đồ thị nhiệt đợ gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.6 Kd=1 Hình 4.23 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với Kd=1 Hình 4.24 Biểu đồ so sánh hệ số Kd dựa độ vọt lố và thời gian xác lập Chọn Kd = 0.4 có cân đối độ vọt lố thời gian đáp ứng (độ vọt lố nhỏ, thời gian xác lập nhỏ) 76 4.3.3 Xác định Ki Xác định hệ số Ki thực nghiệm vói Kp=6 Kd=0.2 Ki=0.1 Hình 4.24 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với hệ số Ki= 0.1 Ki=0.2 Hình 4.26 Đồ thị nhiệt đợ gia nhiệt theo thời gian với hệ số Ki= 0.2 Ki=0.3 Hình 4.27 Đồ thị nhiệt đợ gia nhiệt theo thời gian với hệ số Ki= 0.1 Chọn Ki = 0.2 làm thay đổi yếu tố độ vọt lố, thời gian xác lập loại bỏ sai số xác lập Đồ thị thu tương đối phẳng 77 4.3.4 Kết thực nghiệm nhiệt độ dịch truyền đầu Phương án thực đo: Đặt nhiệt độ gia nhiệt từ 37 độ C tăng dần nhiệt độ gia nhiệt đến nhiệt độ mà kết nhiệt độ dịch truyền đạt gần 37 0C với tốc độ truyền thấp 1ml/phút Kết thu được: Nhiệt độ gia nhiệt để kết đầu đạt gần 37 0C kết đo biểu diễn qua hình sau: Hình 4.28 Nhiệt độ dịch truyền với nhiệt độ gia nhiệt 370C Hình 4.29 Nhiệt độ dịch truyền với nhiệt độ gia nhiệt 380C 78 Hình 4.30 Nhiệt đợ dịch truyền với nhiệt đợ gia nhiệt 390C Hình 4.31 Nhiệt đợ dịch truyền với nhiệt độ gia nhiệt 400C Kết luận Với nhiệt độ gia nhiệt 400C nhiệt độ dịch nhiệt độ gần 37 Hình 4.32 Đồ thị quan hệ nhiệt độ và tốc độ truyền Từ đồ thị phụ thuộc nhiệt độ dịch truyền đầu vào tốc độ truyền dịch trên, ta thấy rằng, tốc độ nhiệt độ đầu tương đối ổn định phạm vi cho phép theo yêu cầu thiết kế ban đầu 79 KẾT LUẬN Ưu điểm - Thiết bị ủ ấm dịch truyển thiết kế nhỏ gọn dễ sử dụng lắp đặt - Tiết kiệm lượng hoạt động an toàn - Đáp ứng nhu cầu hoạt động ủ ấm dịch truyển máu lên nhiệt độ mong muốn Nhược điểm - Thiết kế mẫu mã sản phẩm chưa thẩm mỹ việc chế tạo vỏ chưa tìm đơn vị gia công theo khuôn đúc - Giới hạn nhiệt độ cịn dải rộng khơng nhiệt độ cố định Kết đạt - Thiết kế chế tạo thiết bị hoàn chỉnh đảm bảo chức ủ ấm dịch truyền dải nhiệt độ làm ấm cho phép - Điều khiển nhiệt độ gia nhiệt ổn định thời gian độ thấp - Nhiệt độ đầu ổn định đáp ứng nhu cầu - Tấm gia nhiệt gia cơng chi tiết xác cho hiệu truyền nhiệt tốt - Giá thành rẻ vật liệu dễ kiếm tìm - Thiết kế đơn giản, dễ làm Giải pháp mang lại hiệu cao trình làm ấm dịch, máu để truyền cho bệnh nhân đặc biệt bệnh nhân sau mổ, cấp cứu hồi sức tích cực, sốt cao, suy kiệt vào mùa đông giúp loại bỏ phương pháp làm ấm thủ công bất tiện khác Kết chưa đạt - Nhiểt độ dung dịch truyền bị dao động chưa khơng ổn định - Chưa thử nghiệm sản phẩm môi trường khám chữa bệnh Hướng phát triển đề tài - Hoàn thiện vỏ sản phẩm mô solidwork việc đúc sản phẩm nhựa - Bổ sung module thiết đặt nhiệt độ cho thiết bị - Bổ sung thêm cảm biến nhiệt độ kiểm soát nhiệt độ gia nhiệt cảm biến nhiệt độ theo dõi nhiệt độ dịch truyền 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Valeri, C R., et al "An experiment with glycerol-frozen red blood cells stored at–80 C for up to 37 years." Vox sanguinis 79.3 (2000): 168-174 [2] Evaluation of red blood cells stored at -80◦C in excess of 10 years J Lecak, K Scott, C Young, J Hannon, and J.P Acker The Department of Laboratory Medicine and Pathology, University of Alberta; and Canadian Blood Services, Research and Development, Edmonton, Alberta, Canada [3] TT.26.2013.TT – BYT ngày 16 – – 2013 [4] Lecak, J., Scott, K., Young, C., Hannon, J., & Acker, J P (2004) Evaluation of red blood cells stored at− 80 C in excess of 10 years Transfusion, 44(9), 1306-1313 [5] Tú Kim, Giới thiệu thuật toán điều khiển PID [Online] Available: http://vi.scribd.com/doc/73335013/GIỚI-THIỆU-THUẬT-TOANĐIỀU-KHIỂN-PID ELLTECco.LTD, Blood warmer ANIMEC AM-2S, Japan – 2001 [6] MICROCHIP, PIC18F2455/2550/4455/4550 Data Sheet 81 PHỤ LỤC Mã nguồn chương trình điều khiển #include #device *=16 ADC=10 #include #use delay(clock=25000000) // khai bao cho LCD /* #define LCD_ENABLE_PIN PIN_D3 #define LCD_RS_PIN PIN_D0 #define LCD_RW_PIN PIN_D2 #define LCD_DATA4 PIN_D4 #define LCD_DATA5 PIN_D5 #define LCD_DATA6 PIN_D6 #define LCD_DATA7 PIN_D7 #include */ #define samplingTime 10 // thoi gian lay mau 10 ms #define freSampling 100 // float temDat = 40, temDo ; float err, preErr =0; float preOut=0; float Kp=6, Kd=1, Ki=0.2; float pPart =0,iPart=0, dPart=0; float out =0; float duty; float adc; float V, Rt, t; float const B= 3990; float const Rr=10; float const T0 = 298;// T0 Do K float T_chuan = 37; int i; float tong =0; void main() { setup_adc_ports(NO_ANALOGS|VSS_VDD); setup_adc(ADC_CLOCK_DIV_2); setup_psp(PSP_DISABLED); setup_spi(SPI_SS_DISABLED); setup_wdt(WDT_OFF); setup_timer_0(RTCC_INTERNAL); setup_timer_1(T1_DISABLED); setup_timer_2(T2_DIV_BY_1,99,1); setup_ccp1(CCP_PWM); setup_ccp2(CCP_PWM); setup_comparator(NC_NC_NC_NC); setup_vref(FALSE); setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); set_adc_channel(0); /* LCD_Init(); delay_us(10); lcd_gotoxy(1,1); printf(lcd_putc,"Bat Dau"); delay_ms(100); */ while(TRUE) { for (i=0; i