Thiết kế chế tạo mạch điều khiển thay thế cho tủ sấy unb400 hãng memmert của đức

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Thiết kế chế tạo mạch điều khiển thay cho tủ sấy UNB400 hãng Memmert Đức LÊ VĂN HẢI Vanhai.vncb@gmail.com Ngành Kỹ thuật Y sinh Giảng viên hướng dẫn: TS Đào Việt Hùng Chữ ký GVHD Viện: Điện tử - Viễn thơng HÀ NỘI, 04/2021 i CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : Lê Văn Hải Đề tài luận văn: Thiết kế chế tạo mạch điều khiển thay cho tủ sấy UNB400 hãng Memmert Đức Chuyên ngành: Kỹ thuật y sinh Mã số SV: CA 190173 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày… .………… với nội dung sau: ………………………………………………………………………… ………………………… ………………………………………………… ………………………………………………… ………………………… ………………………………………………………………………… … ……………………………………………………………………………… ………………… ………………………………………………………… ………………………………………… ………………………………… ………………………………………………………………… ………… ……………………………………… Ngày Giảng viên hướng dẫn tháng năm Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG ii Lời nói đầu Thực tế Bệnh viện, vai trị việc kiểm sốt nhiễm khuẩn đặc biệt, Bệnh viện có tới hàng trăm, hàng nghìn lượt khám ngày, nhiễm khuẩn xảy q trình khám điều trị Việc kiểm soát chống nhiễm khuẩn quan trọng trình khám chữa bệnh Hiện Bệnh viện Tủ sấy tiệt trùng sử dụng đảm bảo trình khử khuẩn dụng cụ khám chữa bệnh Cùng với khả hư hỏng vỉ mạch điều khiển sau thời gian sử dụng dài Với mong muốn giảm thiểu chi phí, thời gian sửa chữa thay vỉ mạch phải nhập khẩu, phụ thuộc nhiều vào hãng, em thực Luận văn với đề tài: “Thiết kế chế tạo mạch điều khiển thay cho tủ sấy UNB400 hãng Memmert Đức” Trong q trình thực luận văn, tồn nội dung luận văn thực hướng dẫn TS Đào Việt Hùng (Viện Điện tử - Viễn thơng) Ngồi ra, em nhận giúp đỡ, bảo TS Nguyễn Phan Kiên (Viện Điện tử - Viễn thông) Với nỗ lực thân giúp đỡ thầy, em hồn thành luận văn thời hạn Do cịn hạn chế kiến thức nên đề tài không tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận góp ý thầy, cơ, bạn để hồn thiện đề tài Em xin chân thành cám ơn thầy, cô viện Điện tử - Viễn thơng giúp đỡ em hồn thành đề tài iii Tóm tắt Luận văn Luận văn “Thiết kế chế tạo mạch điều khiển thay cho tủ sấy UNB400 hãng Memmert Đức” hoàn thành giúp cho việc sửa chữa thay cho loại tủ sấy Bệnh viện dễ dàng, với chi phí rẻ so với việc nhập từ nước Mạch điều khiển tủ sấy thiết kế hồn tồn đưa vào ứng dụng thực tiễn Các sở lý thuyết, nguyên lý cách sử dụng, trình bày chi tiết nội dung luận văn Ngồi ra, luận văn đưa nhìn tổng quan phương pháp kiểm soát nhiễm khuẩn phổ biến bệnh viện Việt Nam Thế giới iv MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NHIỄM KHUẨN BỆNH VIỆN 1.1 1.2 Phân loại nhiễm khuẩn bệnh viện 1.1.1 Tác nhân gây nhiễm khuẩn 1.1.2 Các nguồn lây nhiễm 12 Phòng chống nhiễm khuẩn bệnh viện 13 1.2.1 Chương trình theo dõi nhiễm khuẩn bệnh viện 13 1.2.2 Các nguyên tắc phòng ngừa nhiễm khuẩn bệnh viện 14 1.2.3 Nguyên tắc cách ly bệnh nhân 20 1.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng 23 1.3 Các dụng cụ phục vụ chống nhiễm khuẩn bệnh viện 24 1.4 Bàn luận chương kết luận 27 CHƯƠNG GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI TỦ SẤY ỨNG DỤNG TRONG KIỂM SOÁT NHIỄM KHUẨN BỆNH VIỆN TẠI BỆNH VIỆN HỮU NGHỊ VIỆT NAM CU BA 29 2.1 Tủ sấy UNB-400 UN260 hãng Memmert, Đức 29 2.2 Tủ sấy nhiệt ướt Tuttnauer 2540M 36 2.3 Các giải pháp khác 42 2.4 Kết luận chương 43 CHƯƠNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN THAY THẾ CHO MẠCH ĐIỀU KHIỂN CỦA TỦ SẤY MEMMERT UNB-400 45 3.1 3.2 Sơ đồ khối mạch điều khiển 45 3.1.1 Xây dựng khối chức cho mạch điều khiển 45 3.1.2 Xây dựng sơ đồ khối cho mạch điều khiển tủ sấy 51 Thiết kế chi tiết mạch 53 3.2.1 Lựa chọn linh kiện phương án thiết kế 53 3.2.2 Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 64 3.2.3 Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị 71 3.3 Lắp đặt chạy thử 72 3.4 Kết luận 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN Hình 1.1 Cách phân loại dụng cụ chống nhiễm khuẩn bệnh viện 24 Hình 2.1 Tủ sấy tiệt trung UBN200 sử dụng BV Hữu nghị Việt NamCu ba 29 Hình 2.2 Tủ sây tiệt trung UBN400 sử dụng Bệnh viện Hữu nghị Việt NamCu ba 30 Hình 2.3 Cấu tạo tủ sấy tiệt trung Memmert UBN400, Đức 31 Hình 2.4 Giao diện mặt điều khiển họ tủ sấy Memmert 33 Hình 2.5 Cách đặt dụng cụ để đảm bảo nhiệt độ 34 Hình 2.6 Hộp chuyên dụng đựng đồ Memmert UBN 36 Hình 2.7 Tủ sấy nhiệt ướt Tutnauer sử dụng Bệnh viện Hữu nghị Việt NamCu ba 37 Hình 2.8 Cấu tạo tủ sấy nhiệt ướt Tuttnauer 39 Hình 2.9 Sơ đồ khối chi tiết tủ sấy nhiệt ướt Tuttunauer 40 Hình 2.10 Khay để dụng cụ 41 Hình 3.1 Mơ hình tương đương thành phần cảm biến nhiệt Pt100 46 Hình 3.2 Chuyển nguồn ngồi +5V/5A mua sẵn thị trường 50 Hình 3.3 Sơ đồ khối khối hiển thị 52 Hình 3.4 Sơ đồ khối khối đo nhiệt độ điều khiển 53 Hình 3.5 Giao tiếp truyền thông song song nối tiếp 53 Hình 3.6 Ghép nối UART khối 54 Hình 3.7 Một khung truyền liệu UART 55 Hình 3.8 Hình minh họa cho vi điều khiển ATMega328p 59 Hình 3.9 Sơ đồ chân MCP1501 61 Hình 3.10 Sơ đồ chân XTR111 62 Hình 3.11 Cấu tạo TRIAC 63 Hình 3.12 Đặc tuyến Volt – Ampe TRIAC 63 Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý vi điều khiển Atmega328p mạch 64 Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý mạch xác định điểm 65 Hình 3.15 Tín hiệu mạch xác định điểm 65 Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển cách ly với TRIAC 66 Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý mạch tạo nguồn dịng 67 Hình 3.18 Nguyên lý mạch đo điện áp cảm biến nhiệt Pt100 69 Hình 3.19 Nguyên lý tạo nguồn lưỡng cực từ nguồn +5V 70 Hình 3.20 Sơ đồ nguyên lý mạch báo hiệu âm đèn LED 70 Hình 3.21 Sơ đồ nguyên lý mạch đo điều khiển 71 Hình 3.22 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị dùng mơ đun Arduino Nano với hình LCD ma trận điểm ảnh 72 Hình 3.23 Sơ đồ mạch in lớp BOTTOM (bên trái) lớp TOP (bên phải) mạch đo điều khiển 72 Hình 3.24 Mạch đo điều khiển dạng mô 3D 73 Hình 3.25 Sơ đồ mạch in lớp BOTTOM (bên trái) lớp TOP (bên phải) mạch hiển thị 73 Hình 3.26 Mạch hiển thị dạng mô 3D 74 Hình 3.27 Thử nghiệm với điện trở mẫu 74 Hình 3.28 Kết lần đo với giá trị điện trở khác 76 Hình 3.29 Kết nối cảm biến nhiệt với mạch đo điều khiển tủ sấy, thiết lập thông số điều khiển, chạy tủ sấy ghi lại nhiệt độ thiết bị để làm kết so sánh 77 Hình 3.30 Mạch điều khiển sau kết nối hoàn chỉnh với tủ sấy chạy thử chu trình sấy 78 Hình 3.31 Chỉ thị màu kết trình sấy 79 CÁC BẢNG BIỂU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN Bảng 2.1 Bảng tra chuẩn bị dụng cụ 34 Bảng 2.2 Bảng tra thời gian hoạt động theo mẫu máy khối lượng cần hấp 35 Bảng 2.3 Bảng thời gian tham khảo hãng vật liệu khác 42 Bảng 3.1 Bảng điện trở Pt100 theo mức nhiệt độ 47 Bảng 3.2 Bảng sơ đồ chân vi điều khiển Atmega328p 58 Bảng 3.3 Bảng sơ đồ chân linh kiện XTR111 62 Bảng 3.4 Bảng tham chiếu nhiệt độ điện áp cảm biến Pt100 với dòng điện xác định 10,24mA 68 Bảng 3.5 Bảng kết đo với giá trị điện trở thử nghiệm 75 CÁC TỪ NGỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN STT TÊN VIẾT TẮT TÊN ĐẦY ĐỦ VĐK VI ĐIỀU KHIỂN AVR Advanced Virtual RISC V Volt A Ampe PWM Pulse-width modulation ADC Analog digital convert UART Universal Asinchonus Receiver Transmitter I/O Input/output RTD Regional Transportation District 10 W Watt 11 PCB Printed circuit board 12 I2C Inter-Intergrated Circuit 13 NTC National Telecommunications Conference 14 LCD Liquid Crystal Display 15 LED Light Emitting Diode 16 MHz Megahertz 17 PID Proportional Integral Derivative Điều kiện OFF: ta thực việc ngừng cáp nhiệt cho tủ sấy, điện áp 0V đặt vào chân IC1, chân IC1 khơng dẫn nữa, dẫn đến khơng có dòng vào cực GATE (G, chân 3) TRIAC TRIAC T1 ngừng dẫn, khơng cịn nguồn điện cấp đến kháng đốt nữa, làm tủ sấy ngừng gia nhiệt Một số điểm cần lưu ý: - Dòng vi điều khiển để kích opto phải đủ lớn, phải đạt 20mA - Các linh kiện R9 tụ C5 tạo thành mạch chống cháy cho TRIAC sử dụng để điểu khiển đóng mở tải cảm (inductive load) Khi tải cảm (ví dụ động điện) bị ngắt điện đột ngột, điện áp sinh tính theo cơng thức U=Ldi/dt tăng vọt lên lớn, đánh thủng TRIAC Do ta cần tụ để tạo cảm kháng lớn điện trở để tiêu tán lượng cuộn dây 3.2.2.8 Sơ đồ nguyên lý mạch tạo nguồn dòng +12V +12V C8 104 U2 XTR111 REGF R14 2K2 GND IS REGS R13 5K6 R15 10 Q1 A1015 2 EN GND GND GND GND NC GND TempRef1 C13 105 R18 GND VIN SET VREF OD GND R20 1K Q2 IRF9214 R17 10 NGUỒN DÒNG CẤP ĐẾN CẢM BIẾN C12 105 2K2 VIN GND PAD 11 Vref1 U3 GND +5V 10 +5V C11 106 +5V Err D +5V LED1 G VG C10 104 R16 2K2 S GND EF_N C9 105 VSP R19 100K MCP1501 GND GND GND GND Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý mạch tạo nguồn dòng Mạch tạo nguồn dòng sử dụng MCP1501 để tạo điện áp 1,024V chuẩn, lý điện áp 1,024V số lũy thừa (2 lũy thừa 10 1024), mà chuyển đổi tương tự sang số ADC chip Atmega328p có 10bit, nên quy đổi từ liệu số đầu ADC số chia hết cho điện áp 1,024V Tín hiệu điện áp chuẩn dẫn đến chuyển đổi điện áp sang dịng điện thơng qua điện trở R18 (2,2kΩ), có nhiệm vụ hạn chế dịng điện đưa vào XTR111 67 Bộ XTR111 tạo dòng điện không đổi đầu VG (chân số 3) phụ thuộc vào điện áp Vin đầu vào (chân số 6) Giá trị dòng xác định theo cơng thức sau: Trong đó: Vin = 1,024V Rset = R20 = 1kΩ Vì Iout = 10,24mA Từ ta có bảng điện áp cảm biến nhiệt độ tương ứng với nhiệt độ sau: Bảng 3.4 Bảng tham chiếu nhiệt độ điện áp cảm biến Pt100 với dòng điện xác định 10,24mA Nhiệt độ (°C) Điện trở Pt100 (Ω) -200 -150 -100 -50 50 100 150 18,52 39,72 60,26 80,31 100,00 119,40 138,51 175,86 Điện áp cảm biến Pt100 (V) 0,190 0,407 0,617 0,822 1,024 1,223 1,418 1,801 Nhiệt độ (°C) Điện trở Pt100 (Ω) 200 250 300 350 400 450 500 550 175,86 194,10 212,05 229,72 247,09 264,18 280,98 297,49 Điện áp cảm biến Pt100 (V) 1,801 1,988 2,171 2,352 2,530 2,705 2,877 3,046 Nhiệt độ (°C) Điện trở Pt100 (Ω) 600 650 700 750 800 850 313,71 329,64 345,28 360,64 375,70 390,48 Điện áp cảm biến Pt100 (V) 3,212 3,376 3,536 3,693 3,847 3,999 Như với dải đo thông thường ADC 2,5V điện áp so sánh với nhiệt độ cao tủ sấy 300°C điện áp cảm biến 2,171V, điện áp nằm phạm vi đo ADC Độ phân dải ADC 10 bit điện áp 2,5V với 1024 mức lượng tử mức lượng tử tương ứng 2,5V/1024 ≈ 0.002441V = 2,441mV Do đó, với dải nhiệt độ từ 0°C đến 300°C điện áp biến thiên từ 1,024V đến 2,171V, ∆V = 2,171 – 1,024 = 1,147V Với biến thiên ADC có số mức lượng tử thay đổi 1,147V/2,441mV ≈ 469 mức lượng tử giá trị lớn 300 giá trị nhiệt độ cần biểu diễn Vì vậy, bước hiển thị đo nhiệt tối thiểu 1°C 68 Trong trường hợp điện áp đầu đo ADC chip mà lớn 2,5V phần mềm điều khiển chuyển sang mức điện áp tham chiếu 5V Nếu điện áp lớn 4V (ở 850°C, điện áp 3,999V) chắn đầu gắn cảm biến bị hở mạch, mạch không đo nhiệt độ nữa, có cảnh báo cố với đầu cảm biến nhiệt cho người sử dụng biết dừng chương trình điều khiển tủ sấy 3.2.2.9 Sơ đồ nguyên lý mạch đo điện áp cảm biến TP1 Pt100 NGUỒN DÒNG CẤP ĐẾN CẢM BIẾN GND +12V A I1_out (Sen+) ADC0 U4A OPA2188 -12V Hình 3.18 Nguyên lý mạch đo điện áp cảm biến nhiệt Pt100 Mạch đo điện áp cảm biến thực tế mạch lặp điện áp, dùng mạch lặp để điện áp cảm biến không bị suy hao thành phần khác trở kháng vào khuếch đại thuật toán lớn, nên dòng hao gần Tín hiệu đầu mạch lặp đưa trực tiếp vào biến đổi ADC0 chip vi điều khiển Trên thực tế có mạch tạo dịng đo điện áp cảm biến điện trở Pt100 dùng mạch đo điều khiển, số dòng tủ sấy Memmert có sử dụng cảm biến nhiệt độ để kiểm sốt nhiệt độ tốt Tín hiệu nguồn dịng cấp đến cảm biến thơng qua giắc nối TP1, giắc nối có chân, dùng cho nhiều loại cảm biến Pt100 khác dòng tủ sấy, số tủ sấy dùng loại dây, số tủ dùng loại dây Do mạch đo sử dụng khuếch đại thuật tốn nên nguồn cung cấp cần phải có nguồn lưỡng cực, điện áp đầu cảm biến nhỏ 5V nên 69 điện áp nguồn lưỡng cực cần lớn 1,2 lần điện áp lớn Do mạch cấp nguồn lưỡng cực cần lớn ±6V được, thực tế nguồn lưỡng cực sử dụng ±9V tạo mô đun tạo điện áp lưỡng cực từ nguồn +5V 3.2.2.10 Sơ đồ nguyên lý mạch cấp nguồn lưỡng cực từ điện áp chiều PW1 +5V 15 16 +Vo VIN VIN 0V 0V GND GND -Vo 10 -12V +12V +12V C24 330uF/35V C25 330uF/35V GND GND -12V GND DCM5D9HV-100 GND Hình 3.19 Nguyên lý tạo nguồn lưỡng cực từ nguồn +5V Nguồn lưỡng cực tạo mô đun nguồn chuyển điện áp +5V sang điện áp ±9V với linh kiện DCM5D9HV-100, số 100 thể 1W công suất nguồn Thực tế mạch nguồn cần cấp cho khuếch đại thuật tốn tạo nguồn dịng XTR111, nên với công suất 1W đủ dùng cho ứng dụng mạch 3.2.2.11 Sơ đồ nguyên lý mạch báo hiệu âm LED thị +5V SPK1 2 PWM_SOUND D2 LOUDSPKER Q5 D882 3K3 1N4118 R33 GND LED1 R34 3K3 LED3 Heating GND Hình 3.20 Sơ đồ nguyên lý mạch báo hiệu âm đèn LED Mạch sử dụng còi chip dùng nguồn +5V, cấp nguồn còi kêu, dừng cấp nguồn còi im lặng, điều khiển việc đưa tín hiệu điều khiển đến 70 transistor Q5 thực đóng mở dòng điều khiển đến còi chip Tương tự với điều khiển đèn LED đèn LED tiêu thụ lượng hơn, nên tín hiệu đưuọc lấy trực tiếp từ chân vi điều khiển đưa đến LED có qua điện trở R34 có giá trị 3,3kΩ dùng để hạn dịng Với tồn thiết kế mạch nguyên lý khối mạch đo điều khiển trên, từ ta có sơ đồ nguyên lý khối đo điều khiển xây dựng từ sơ đồ thành phần hình 3.21 +5V +5V R5 - R2 33K OP1 D1 + 2W10 AC2 ZeroCrossing AT C.RxD ATC.TxD ZeroCrossing PWM notused0 PD4 PWM2 11 PWM1 12 13 PD7 GND 4N35 33K ATC.TxD AT C.RxD GND R7 1K T1 BTA41 AC1 C5 154J630 R8 470 F2 1.5A P1 +5V/GND PWM1 +5V +5V C26 1000uF/16V GND PB0 PWM_SOUND LED1 P.MOSI P.MISO P.SCK C4 12p GND MOC3021 X1 16MHz +5V GND AC2 C6 VREF 21 PWM_SOUND C2 104 47K C3 103 GND GND R11 470 15 16 +5V 3 NC C13 105 VIN GND PAD GND GND GND GND OD GND R20 1K Q2 IRF9214 R19 100K VSP EF_N IS REGS R26 2K2 VG TP1 Pt100 R17 10 C12 105 2K2 REGF R24 2K2 U5 XTR111 C17 105 R23 5K6 GND TP1* Pt100 (1) GND +5V +5V Q3 A1015 C19 106 GND LED2 Vref2 VIN VREF EN GND GND GND GND GND MCP1501 NC TempRef2 C21 105 R28 +5V Err +5V U6 C18 104 R25 10 2 R18 SET EN GND TempRef1 +12V +12V C16 104 +5V GND VREF 11 GND VIN GND 10 GND GND G C11 106 GND -12V Err D Vref1 GND Q1 A1015 LED1 GND R15 10 +5V U3 C10 104 GND VIN OD TP2 Pt100 R27 10 C20 105 2K2 GND Q4 IRF9214 R29 100K R30 1K GND MCP1501 GND GND GND GND GND GND GND GND +12V 8 +12V U4A OPA2188 Pt2_out A I1_out (Sen+) A Pt1_out Heating C25 330uF/35V GND R16 2K2 R13 5K6 S +5V -12V C24 330uF/35V PAD IS REGS VG +5V -Vo +12V +12V GND GND GND EF_N VSP REGF R14 2K2 GND GND GND U2 XTR111 C9 105 0V 0V 11 C8 104 10 +Vo 3K3 LED3 EXT1 PC2 PC3 SDA SCL PWM notused0 PD4 PD7 PB0 EXT DCM5D9HV-100 +12V +12V VIN VIN R34 GND PW1 GND AC2 3K3 GND PWM2 MOC3021 Q5 D882 AT mega328P-PU 12p 10 IC2 LED1 D T2 BTA41 PG1 PROG GND P.MOSI P.SCK P.MISO P.RST R6 22 GND +5V GND C7 154J630 R33 1N4118 S R12 100 AC1 D2 GND PB0 (PCINT 0/CLKO/ICP1) PB1 (OC1A/PCINT1) PB2 (SS/OC1B/PCINT2) PB3 (MOSI/OC2A/PCINT3) PB4 (MISO/PCINT4) PB5 (SCK/PCINT5) PB6 (PCINT 6/XTAL1/TOSC1) PB7 (PCINT 7/XTAL2/TOSC2) SPK1 LOUDSPKER GND GND R10 1K P3 LOAD2 +5V C1 106 10uH D3 SS34 L1 PD0 (PCINT16/RXD) PD1 (PCINT17/TXD) PD2 (PCINT18/INT0) PD3 (PCINT 19/OC2B/INT1) PD4 (PCINT20/XCK/T0) PD5 (PCINT 21/OC0B/T1) PD6 (PCINT 22/OC0A/AIN0) PD7 (PCINT23/AIN1) 14 15 16 17 18 19 10 R9 100 IC1 P2 LOAD1 AREF 20 SET 33K R3 47K AVCC +5V 7 AC1 R4 47K COM1 +5V UART VCC PC0 (ADC0/PCINT8) PC1 (ADC1/PCINT9) PC2 (ADC2/PCINT10) PC3 (ADC3/PCINT11) PC4 (ADC4/SDA/PCINT12) PC5 (ADC5/SCL/PCINT13) PC6 (PCINT 14/RESET) +5V R1 23 24 25 26 27 28 AC2 U1 Pt2_out Pt1_out PC2 PC3 SDA SCL P.RST AC1 G F1 250V/10A Line Neuron 220V/50Hz LN P1 -12V -12V U7A OPA2188 I2_out (Sen+) Hình 3.21 Sơ đồ nguyên lý mạch đo điều khiển 3.2.3 Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị Do mạch hiển thị cần sử dụng thành phần hiển thị kết nối UART nên tác giả dùng bo mạch Arduino Nano V3 để kết nối với hình hiển thị Màn hình hiển thị hình LCD có độ phân dải ma trận 320 x 240 điểm ảnh Trên hình hiển thị nội dung nhiệt độ đặt, nhiệt độ đo thời tủ sấy, hiển thị thời gian chạy tủ Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị mạch điều khiển thay dùng thay cho dòng tủ sấy Memmert minh họa hình 3.22 71 Pt100 (2) TP2* GND Hình 3.22 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị dùng mô đun Arduino Nano với hình LCD ma trận điểm ảnh 3.3 Lắp đặt chạy thử Để tiến hành thử nghiệm mạch thay thế, tác giả thiết kế sơ đồ mạch in cho bo mạch thiết kế theo sơ đồ nguyên lý Kết thiết kế mạch in liệt kê Sơ đồ mạch in khối mạch đo điều khiển Hình 3.23 Sơ đồ mạch in lớp BOTTOM (bên trái) lớp TOP (bên phải) mạch đo điều khiển 72 Mạch mô 3D khối mạch đo điều khiển Hình 3.24 Mạch đo điều khiển dạng mô 3D Sơ đồ mạch in mạch hiển thị Hình 3.25 Sơ đồ mạch in lớp BOTTOM (bên trái) lớp TOP (bên phải) mạch hiển thị 73 Mạch mô 3D khối mạch hiển thị Hình 3.26 Mạch hiển thị dạng mơ 3D 3.3.1.1 Kiểm thử sản phẩm Tác giả tiến hành chế tạo lắp ráp nạp chương trình điều khiển công cụ Arduino cho bo mạch sau thiết kế, ghép nối hai bo mạch mạch đo mạch hiển thị để tiến hành kiểm thử kết đo Hình 3.27 Thử nghiệm với điện trở mẫu Đầu tiên tiến hành đo thử nghiệm với giá trị điện trở khoảng hoạt động tủ sấy, tức đo thử nghiệm với giá trị điện trở nằm khoảng từ 100Ω đến 240Ω (tương ứng với dải nhiệt độ từ 0°C đến 74 300°C) cách ghép điện trở vạch có giá trị gốc bao gồm giá trị 1Ω, 10Ω, 100Ω, cơng suất 1/4W có sai số 1%, ghép song song kết hượp với nối tiếp để tạo giá trị điện trở lẻ mong muốn Sau ghép điện trở thành giá trị mong muốn cần đo, đo mạch thực tế, ghi kết hiển thị hình, hình kết điện áp nhân lên 1000 lần, ví dụ thực tế đo 1,026V hiển thị 1026 Kết thu bảng mối quan hệ điện trở đo với điện áp thu giá trị nhiệt độ tính tốn Bảng 3.5 Bảng kết đo với giá trị điện trở thử nghiệm Số TT Dải nhiệt độ 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 0°C Khoảng từ 0°C đến 50°C Khoảng từ 50°C đến 130°C Khoảng từ 130°C đến 300°C Lớn 300°C Điện trở thử nghiệm (Ω) Điện áp theo lý thuyết (V) Điện áp đo mạch đo (V) 100 101 102 103 104 105 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 1.024 1.034 1.044 1.055 1.065 1.075 1.126 1.229 1.331 1.434 1.536 1.638 1.741 1.843 1.946 2.048 2.150 2.253 2.355 2.458 1.026 1.035 1.047 1.057 1.067 1.077 1.129 1.230 1.332 1.433 1.535 1.638 1.739 1.841 1.942 2.046 2.149 2.250 2.352 2.453 Độ lệch (V) 0.002 0.001 0.003 0.002 0.002 0.002 0.003 0.001 0.001 -0.001 -0.001 0.000 -0.002 -0.002 -0.004 -0.002 -0.001 -0.003 -0.003 -0.005 Nhiệt độ sau quy đổi (°C) 11 13 26 52 77 103 130 157 183 210 237 265 293 321 350 378 75 Dựa vào bảng kết nhận thấy độ lệch giá trị điện áp lý thuyết giá trị điện áp đo không nhiều ngẫu nhiên không theo hàm số Tác giả chọn giá trị điện trở 150Ω (tương đương khoảng 130°C) làm giá trị để hiệu chuẩn nhiệt độ nằm dải nhiệt độ thường dùng tủ sấy Giá trị hiệu chuẩn theo lý thuyết nhỏ thực tế đo 0,9972 lần (giá trị lý thuyết = 0,9972 x giá trị thực tế đo được) Giá trị nhiệt độ quy đổi từ mã nguồn mở thư viện Arduino Library với giá trị điện trở tính tốn từ giá trị điện áp đo được, giá trị Ohm (Ω), giá trị kết trả giá trị nhiệt độ dạng °C Hình vẽ minh họa kết lần đo với điện trở mẫu ghép từ điện trở khác tạo thành Hình 3.28 Kết lần đo với giá trị điện trở khác 3.3.1.2 Chạy thử nghiệm sản phẩm Sau mạch điều khiển hồn thiện lắp đặt kết nối vào tủ sấy Memmert có bệnh viện Hữu Nghị Việt Nam Cu Ba Đầu tiên ta cần phải kết nối cảm biến tủ với mạch đo điều khiển Sau tiến hành đặt cảm biến nhiệt độ vào khoang sấy, chạy máy sấy với nhiệt độ đặt, ghi đo lại giá trị nhiệt độ tủ sấy mạch thiết kế, so sánh kết thu nhận thấy nhiệt độ mạch đo thường cao so với nhiệt độ báo tủ sấy từ đến vài độ C 76 Mạch thiết kế hiển thị kết nhiệt độ số tròn độ báo nhiệt tủ sấy có bước nhiệt độ 0,5°C Hình 3.29 Kết nối cảm biến nhiệt với mạch đo điều khiển tủ sấy, thiết lập thông số điều khiển, chạy tủ sấy ghi lại nhiệt độ thiết bị để làm kết so sánh Sau ta tiến hành kết nối gia nhiệt (kháng đốt) vào mạch điều khiển tủ sấy tiến hành chạy thực nghiệm cho sản phẩm Quá trình thực ghi lại thay đổi nhiệt độ mạch thiết kế Nhiệt độ ban đầu tủ sấy nhiệt độ môi trường bệnh viện 29°C (theo thị mạch) Thời gian đặt để ủ 120 phút (2 ủ), nhiệt độ đặt 121°C Sau mạch điều khiển kết nối hoàn chỉnh với tủ sấy ta cho tủ sấy hoạt động mức độ sấy thông thường dụng cụ thủy tinh ống nghiệm, chai lọ Nhiệt độ cài đặt cho tủ 121°C thời gian sấy 77 Theo dõi trình gia nhiệt ban đầu thời gian để nhiệt độ đạt tới 121°C khoảng 45-50 phút Khi nhiệt độ đạt 121°C tủ sấy bắt đầu trình đếm ngược từ 120 phút Theo dõi trình nhiệt độ thay đổi trình ủ nhiệt nhận thấy nhiệt độ báo có tăng giảm, nhiên không giảm xuống 121°C Kết thúc trình ủ nhiệt thời gian đếm đến 0, tủ ngừng gia nhiệt nhiệt độ tủ sấy giảm dần nhiệt độ phòng Quá trình thử nghiệm minh họa theo hình đây, lần chụp ảnh ghi lại giá trị nhiệt độ khoảng 15 phút lần Hình 3.30 Mạch điều khiển sau kết nối hoàn chỉnh với tủ sấy chạy thử chu trình sấy Trong thời gian chạy thử thiết bị sản phẩm mạch điều giữ ổn định nhiệt độ khoảng 121°C đến 126°C thời gian khoảng Nhiệt độ ln trì mức nhiệt độ thiết lập cho tủ sấy, kết thị màu đạt yêu cầu 78 trình sấy tiệt trùng dụng cụ Hình ảnh thị màu sau tình sấy thử nghiệm minh họa theo hình Hình 3.31 Chỉ thị màu kết trình sấy 3.4 Kết luận Sản phẩm mạch đo điều khiển tủ sấy dùng để thay cho dòng tủ sấy Memmert thiết kế hoàn chỉnh, thay đổi thông số điều khiển cho phép người dùng tùy biến thời gian nhiệt độ sấy, tủ đáp ứng yêu cầu kỹ thuật việc sấy tiệt trùng dụng cụ đạt kết quả, trình ủ nhiệt nhiệt độ khơng bị giảm xuống mức nhiệt độ đặt Trong trình thực tác giả nhận thấy sản phẩm thiết kế có ưu điểm khuyết điểm sau: Ưu điểm: • Mạch thiết kế nhỏ gọn có đầy đủ chức điều khiển cho loại tủ sấy Memmert • Mạch dùng cho điều khiển cho dòng tủ khác tủ sấykhác Memmert với hai cảm biến nhiệt độ hai kháng đốt • Màn hình mạch thiết kế với LCD cho phép hiển thị nhiệt nhiệt độ thời gian hoạt động giúp người dùng dễ dàng nhận biết trạng thái hoạt động tủ • Có hệ thống đèn báo trạng thái cịi tích hợp mạch điều khiển • Quy trình thiết kế tn theo trình tự, từ khâu phân tích, tính tốn đến thiết kế, kiểm thử Nhược điểm: • Độ phân dải nhiệt độ hạn chế, đo với bước nhiệt độ 1°C • Giá trị đo nhiệt độ cần ổn định có giá trị xách 79 • Chưa có thiết kế với hiển thị LED để thay cho dòng tủ Memmert hiển thị LED Dự kiến hướng phát triển sản phẩm tương lai: • Tăng độ phân dải nhiệt độ phạm vi hoạt động tủ sấy cách dùng ADC để tăng độ xác phép đo • Sử dụng tạo điện áp so sánh ngồi để có giá trị điện áp tham chiếu lớn 2,5V mà ổn định không thay đổi vào điện áp nguồn ni • Phát triển thêm mơ đun hiển thị dạng LED để phù hợp thay cho nhiều dịng tủ sấy • Tính tốn kỹ lưỡng chi tiết yếu tố giá thành để đưa sản phẩm vào thương mại • Tối ưu phần mềm điều khiển để sản phẩm hoạt động tốt ổn định 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO Hội thiết bị Y tế Việt Nam (2017), Báo cáo Hội thảo thường niên “ Nâng cao lực quản lý trang thiết bị y tế, cập nhật thông tin khoa học- công nghệ, kỹ thuật thiết bị y tế”, Đà Nẵng Nguyễn Trung Khảm (2006), “Nâng cao hiệu sử dụng trang thiết bị y tế tỉnh Hà Tây”, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp sở, Hà Tây Memmert Datasheet 2008, Operating Instructions for Universal ovens UNB 100 – 500, UFB 400 – 500, Sterilisers SNB 100 – 400 SFB 400 – 500 and Incubators INB 200 – 500 Memmert corporation Texas Instruments Report (2018), How to Design a Simple Constant Current/Constant Voltage Buck Converter, Application Report, Texas Instruments Incorporated Marcoo Zamora (2020), Precision Current Sources and Sinks Using Voltage References, Texas Instruments Incorporated Cộng đồng Arduino Việt nam, Tự học lập trình Arduino, chia sẻ miễn phí địa http://arduino.vn/reference/howto Datasheets 8-bit Microcontroller with 32K Bytes In-System Programmable Flash megaAVR® Data Sheet Atmega328p ATMEL Bài giảng Vi điều khiển AVR – Công ty TNHH Công nghệ Ứng dụng Bách Khoa Giáo trình Kỹ thuật mạch điện tử - Phạm Minh Hà – Nhà xuất khoa học kỹ thuật -1997 10 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật “Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lị sấy nơng sản” Triệu Sỹ Trường - Đại học Thái nguyên 2014 81 ... phần kết luận chương 2, việc thiết kế chế tạo mạch điều khiển thay cho mạch điều khiển tủ sấy Memmert vô quan trọng Do đó, chương này, mạch điều khiển thiết kế nhằm thay cho mạch tủ sấy Memmert. .. ? ?Thiết kế chế tạo mạch điều khiển thay cho tủ sấy UNB400 hãng Memmert Đức? ?? hoàn thành giúp cho việc sửa chữa thay cho loại tủ sấy Bệnh viện dễ dàng, với chi phí rẻ so với việc nhập từ nước Mạch. .. bảo thiết bị hoạt động cách trơn tru không gián đoạn, đảm bảo nhiệm vụ chống nhiễm khuẩn nói chung bệnh viện 44 CHƯƠNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN THAY THẾ CHO MẠCH ĐIỀU KHIỂN CỦA TỦ SẤY MEMMERT