3.2.1 Động cơ bước
Động cơ bước là một lọai động cơ đồng bộ dùng để biến đổi tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc liên tục thành các chuyển động góc quay của Rotor. Động cơ bước thông thường được chia thành hai loại : Động cơ bước nguồn đơn cực và động cơ bước nguồn lưỡng cực. Loại động cơ này phong phú về góc quay, có các động cơ quay 450 , 300, 1,80 mỗi bước, thậm chí chúng ta có thể điều khiển góc quay của động cơ nhỏ hơn nữa khi điều khiển bằng chế độ nửa bước hoặc vi bước. Ngoài ra, quá trình quay của động cơ được thực hiện giựa trên sự hút nhả liên tục của các mấu trên stator đối với rotor, vì vậy khi không có tín hiệu điều khiển biến thiên liên tục thì rotor sẽ đứng yên ở vị trí hiện tại, Momen hãm của động cơ rất lớn nên khi động cơ đang quay mà phải dừng đột ngột thì rotor sẽ không bị chuyển động tiếp do quán tính như đối với động cơ một chiều.
Trong thực tế, loại động cơ bước nguồn đơn cực được sử dụng rộng rãi hơn do có cấu trúc điều khiển của nó đơn giản hơn so với động cơ nguồn lưỡng cực. Động cơ bước nguồn đơn cực có các loại có 5, 6 hoặc 8 đầu dây ra, ở đây tôi sử dụng loại có 6 đầu dây ra. Cấu tạo động cơ bước nguồn đơn cực đơn giản nhất được chỉ ra như hình vẽ :
67
Hình 3. 14 Sơ đồ cấu tạo động cơ đơn cực 6 đầu dây góc quay 90 độ
Rotor đơn giản nhất có tác dụng như một thanh nam châm hai cực Nam và Bắc ở hai đầu. Phần Stator bao gồm các mấu được quấn bởi hai cuộn dây như hình 3.14. Ở mỗi cuộn dây đều có một chân trung tâm nối ra nguồn cấp, còn hai chân còn lại có tác dụng là các chân điều khiển.
Tùy từng chế độ điều khiển mà số các cặp cực và thứ tự các cực được cấp tín hiệu điều khiển khác nhau.
Có ba chế độ điều khiển: điều khiển cả bước, điều khiển nửa bước và điều khiển vi bước.
Điều khỉển cả bước :
Khi ta cấp tín hiệu điều khiển tới chân X tức là đưa chân X xuống mức điện áp thấp, dòng điện đi từ chân trung tâm tới đầu X tạo nên cực Nam còn đầu X có vai trò như cực Bắc, lúc này cực Bắc của Rotor sẽ bị hút về phía đầu X. Để động cơ quay liên tục chúng ta phải cấp tín hiệu điều khiển một cách liên tục và có thứ tự, như ví dụ được chỉ ra dưới đây :
68
Các giá trị có thứ tự giống nhau ở các mấu được tác động đồng thời ở cùng một thời điểm, giá trị 1 có nghĩa là có tín hiệu điều khiển, giá trị 0 là không có tín hiệu điều khiển. Khi này các đầu của Rotor sẽ nằm chính giữa các mấu của Stator.
Một kiểu cấp tín hiệu điều khiển cả bước khác là cấp tín hiệu điều khiển tới hai mấu Stator cùng một lúc, Lúc này động cơ cũng thực hiện quay cả bước nhưng các cực của Rotor sẽ nằm ở vị trí giữa hai mấu cực Stator được cấp tín hiệu điều khiển. Chuỗi tín hiệu điều khỉển được cấp như sau :
Điều khiển nửa bước :
Tín hiệu điều khiển nửa bước chính là kết hợp của hai chuỗi tín hiệu điều khiển cả bước đã nêu ở trên, lúc này các đầu cực của Rotor sẽ dừng lần lượt ở vị trí mấu cực, rồi tới vị trí giữa hai mấu cực và cứ tiếp tục theo thứ tự như vậy, lúc này góc quay của động cơ giảm đi một nửa so với chế độ quay cả bước.
69 Điều khiển vi bước :
Là điều khiển dòng, tín hiệu điều khiển được đưa đồng thời vào hai mấu cực liên tiếp nhau là các dòng điện hình Sin có fa lệch nhau góc π/2 trong khoảng thời gian ¼ chu kỳ.
Lúc này, biên độ dòng điện ở mấu thứ nhất giảm dần theo thời gian còn biên độ dòng điện ở mấu thứ hai tăng dần, vì vậy mà lực tác dụng của mấu thứ nhất lên Rotor giảm dần và lực tác dụng của mấu thứ hai lên Rotor tăng dần, vecto tổng hợp lực của hai mấu tác dụng lên Rotor dịch dần theo chiều từ mấu thứ nhất sang mấu thứ hai, tương ứng là sự dịch chuyển của Rotor từ vị trí mấu thứ nhất cho tới vị trí mấu thứ hai. Quá trình này được mô tả như hình 3.15 dưới đây :
Hình 3. 15 Điều khiển vi bước
Điều khiển vi bước thương được ứng dụng trong điều khiển những dịch chuyển rất nhỏ và yêu cầu độ chính xác cao.
70
Có nhiều nguyên lý được áp dụng để điều khiển động cơ bước hoạt động, nhưng chúng đểu tuân theo sơ đồ khối như hình 3.16.
Trong đó, bộ điều khiển có tác dụng tạo ra chuỗi các xung liên tục để điều khiển, do dòng điện cần cung cấp cho các động cơ hoạt động lớn nên cần phải có tầng công suất để đảm bảo công suất làm việc của mạch, tầng công suất ở đây có thể sử dụng mạch cầu H, IC công suất, hoặc IRF…
Hình 3. 16 Sơ đồ khối mạch điều khiển động cơ bước
3.2.2 Khối điều khiển
Vi điều khiển 89C51 là một vi điều khiển thuộc họ 8051 (MCS-51). Họ vi điều khiển MCS-51 do Intel sản xuất đầu tiên vào năm 1980 là các IC thiết kế cho các ứng dụng hướng điều khiển. Các IC này chính là một hệ thống vi xử lý hoàn chỉnh bao gồm các các thành phần của hệ vi xử lý: CPU, bộ nhớ, các mạch giao tiếp, điều khiển ngắt. MCS-51 là họ vi điều khiển sử dụng cơ chế CISC (Complex Instruction Set Computer), có độ dài và thời gian thực thi của các lệnh khác nhau. Tập lệnh cung cấp cho MCS-51 có các lệnh dùng cho điều khiển xuất / nhập tác động đến từng bit. AT89C51 là vi điều khiển do Atmel sản xuất, chế tạo theo công nghệ CMOS có các đặc tính như sau:
- 8 KB PEROM (Flash Programmable and Erasable Read Only Memory), có
khả năng tới 1000 chu kỳ ghi xoá
71
- mức khóa bộ nhớ lập trình
- 256 Byte RAM nội.
- Port xuất /nhập I/O 8 bit.
- bộ Timer/counter 16 Bit.
- 8 nguồn ngắt.
- Giao tiếp nối tiếp điều khiển bằng phần cứng.
- 64 KB vùng nhớ mã ngoài
- 64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoài.
- Cho phép xử lý bit.
- 210 vị trí nhớ có thể định vị bit.
- chu kỳ máy (4 µs đối với thạch anh 12MHz) cho hoạt động nhân hoặc chia.
- Có các chế độ nghỉ (Low-power Idle) và chế độ nguồn giảm (Power-down).
Hình 3. 17 Sơ đồ chân Vi điều khiển AT89C51
Chip AT89C51 có các tín hiệu điều khiển cần phải lưu ý như sau:
Tín hiệu vào /EA trên chân 31 thường đặt lên mức cao ( +5V) hoặc mức thấp
(GND). Nếu ở mức cao, 8951 thi hành chương trình từ ROM nội trong khoảng địa chỉ thấp (4K với 89C51 hoặc tối đa 8k đối với 89C52). Nếu ở mức thấp, chương trình
72
được thi hành từ bộ nhớ mở rộng (tối đa đến 64Kbyte). Ngoài ra người ta còn dùng /EA làm chân cấp điện áp 12V khi lập trình EEPROM trong 8051.
Chân PSEN (Program store enable): PSEN là chân tín hiệu ra trên chân 29. Nó
là tín hiệu điều khiển cho phép chương trình mở rộng, PSEN thường được nối đến chân /OE (Output Enable) của một EPROM hoặc ROM để cho phép đọc các bytes mã lệnh. Hãy nhớ rằng : bình thường chân /PSEN sẽ được thả trống ( No Connect).Chỉ khi nào cho /EA ở mức thấp thì lúc đó: /PSEN sẽ ở mức thấp trong thời gian lấy lệnh. Các mã nhị phân của chương trình được lấy từ EPROM qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnh của 8951 để giải mã lệnh. /PSEN ở mức thụ động (mức cao) nếu thi hành chương trình trong ROM nội của 89C52.
Các chân nguồn: AT89C51 hoạt động ở nguồn đơn +5V. Vcc được nối vào
chân 40, và Vss (GND) được nối vào chân 20.
3.2.3 IC đệm dòng ULN2003:
Đây là IC gồm 7 transistor NPN ghép Darlington gắn mạch điện tử trong dãy này của chuổi là một bộ lý tưởng để giao tiếp với mạch điện dạng số mức logic thấp như: TTL, CMOS hoặc PMOS/NMOS
73
ULN2803 được thiết kế để phù hợp với chuẩn TTL Vài chỉ số kĩ thuật của IC ULN2003:
Dòng điện ngõ vào khoảng 25mA
Điện áp ngõ vào khoảng 0.5V – 30V
Dòng ra tới 500 mA/ 50 V
Đệm 7 kênh riêng biệt
Đầu ra đảo.
Hình 3. 19 Sơ đồ cấu tạo 1 kênh đệm dòng của ULN2003
3.2.4 Mô phỏng điều khiển động cơ bước
74
Hình 3.20 sơ đồ mạch mô phỏng điều khiển một động cơ bước đơn cực sử dụng vi điều khiển 89c51 sử dụng ULN2003.Thạch anh 24MHz được kết nối để cung cấp xung clock cần thiết cho vi điều khiển. 10μF tụ và 10KΩ được sử dụng để reset cho vi điều khiển. ULN2003 được kết nối với chân P2.0 đến P2.6 của vi điều khiển và đầu ra được nối với động cơ. Các xung tín hiệu sẽ được xuất ra trên các chân P2.0 đến P2.6 để điều khiển động cơ. Mạch mô phỏng động cơ bước này sử dụng để điều khiển mặt bàn bệnh nhân. Thử nghiệm mô phỏng trên máy tính với động cơ công suất nhỏ. Với gantry thì công suất lớn hơn nên trong đề tài không thực hiện mô phỏng được chính xác công suất do điều kiện về phần mềm mô phỏng không đủ thông số để thực hiện.
75
Sau một thời gian nghiên cứu đồ án đã hoàn thành với sự hướng dẫn trực tiếp của giáo viên hướng dẫn TS. Nguyễn Phan Kiên. Với những kết quả đã đạt được đảm bảo được mục tiêu đề ra của đồ án.
Bản thân tôi cũng thu được nhiều kiến thức bổ ích củng cố cho mình.
Đồ án đã trình bày được tổng quan và cáu tạo của máy chụp cắt lớp máy tính nói chung và hệ thống điều khiển bàn và gantry trong thực tế nói riêng. Đồ án mang tính lý thuyết chung nhưng có ý nghĩa thực tiễn đối với quá trình vận hành và sử dụng thiết bị tại bệnh viện
Trong khoảng thời gian làm đồ án cùng với lượng kiến thức hiểu biết của mình, đồ án được vẫn còn nhiều hạn chế, kính mong sự quan tâm của các thầy cô để đồ án hoàn thiện hơn, tôi xin chân thành cảm ơn.
Danh mục tài liệu tham khảo.
[1] Dr. Robert Cierniak , X-Ray Computed Tomography in Biomedical Engineering, Springer – Verlag, London, 2011. 12-13
[2] Dr. Robert Cierniak , X-Ray Computed Tomography in Biomedical Engineering,
76
[3] Jiang Hsieh, Computed Tomography : Principles, Design, Artifacts, and Recent Advances, SPIE- Washington US, 2002. 19-24
[4] Jiang Hsieh, Computed Tomography : Principles, Design, Artifacts, and Recent Advances, SPIE- Washington US, 2002. 73-78
[5] Jiang Hsieh, Computed Tomography : Principles, Design, Artifacts, and Recent Advances, SPIE- Washington US, 2002. 80-86
[6] Euclid Seeram, Computed Tomography: Physical Principles, Clinical, Applications, and Quality Control – Third Edition, Elsevier Inc, Washington US, 2009. 104-112
[7] Euclid Seeram, Computed Tomography: Physical Principles, Clinical, Applications, and Quality Control – Third Edition, Elsevier Inc, Washington US, 2009. 128-135
[8] Mikael Sandborg, Computed Tomography : Physical principles and biohazards,
Department of Radiation Physics-Faculty of Health Sciences-Linköping University, Sweden, 09/1995. 36-43
[9] P. Grunert, W. Müller-forell, K. Darabi, R. Reisch, C. Busert, N. Hopf & A. Perneczky, Basic Principles and Clinical Applications of Neuronavigation and Intraoperative Computed Tomography, Johannes Gutenberg University, Mainz, Gemany, 2010. 218-221 [10]http://pd.chem.ucl.ac.uk/pdnn/inst1/detects.htm .Truy cập lần cuối 22/09/2016. [11]http://www.radtechonduty.com/2015/02/anode-of-x-ray-tube.html . Truy cập lần cuối 22/09/2016. [12]http://pubs.rsna.org/doi/full/10.1148/radiol.2332030994#_i10 . Truy cập lần cuối 22/09/2016. [13]http://www.nuclearfields.com/anti-scatter-xray-collimators.htm . Truy cập lần cuối 22/09/2016.
[14]http://www.wikiradiography.net/page/Patient+Couch .Truy cập lần cuối 17/09/2016.
77
[15]http://cthub.blogspot.com/2015/03/components-of-computed- tomography.html#more . Truy cập lần cuối 30/09/2016.
[16]http://www.slideshare.net/cjarino/xray-generator . Truy cập lần cuối 01/10/2016.
[17]http://www.repairfaq.org/sam/xraysys.htm . Truy cập lần cuối 01/10/2016.
[18]http://slideplayer.com/slide/5817767/ . Truy cập lần cuối 01/10/2016.
[19] http://tech.snmjournals.org/content/36/2/57.full . Truy cập lần cuối 14/05/2016. [20]http://www.sascrad.com/attachments/File/Chapter_2_from_Reiser_et_al.p df . Truy cập lần cuối 14/10/2016. [21]http://www.msct.eu/PDF_FILES/Technical%20principles%20of%20MSC T.pdf . Truy cập lần cuối 12/10/2016. [22]http://www.healthcare.siemens.com/computed-tomography/dual-source- ct/somatom-definition-flash/technical-specifications . Truy cập lần cuối 12/10/2016.