Tính toán và thiết kế mạch cho máy bơm tiêm điện

a. Khối động cơ

Khối động cơ là nơi trực tiếp điều khiển hoạt động của bơm tiêm điện. Với những thông số cài đặt trước khối vi điều khiển sẽ xử lí số liệu và đưa ra tín hiệu điều khiển khối động cơ hoạt động theo đúng yêu cầu về thời gian và thể tích thuốc bơm của bác sĩ

Khối hiển thị Khối vi điều khiển Cảm biến hồng ngoại nhận biết có ông tiêm Cảm biến áp lực phát hiện tắt nghẽn Loa cảnh báo Đèn báo hiệu Bàn phím Mạch điều khiển động cơ Động cơ bước Khối cơ khí đẩy đầu bơm tiêm

Khối phát hiện lỗi ^{Khối giao tiếp}

Khối động cơ Khối cảnh báo Khối nguồn Pin dự phòng _Adapter Module thời gian

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

hay người sử dụng. Khối động cơ gồm 3 thành phần chính là mạch điều khiển động cơ, động cơ và thành phần cơ khí đẩy bơm tiêm, hình 3.2 là sơ đồ khối của khối động cơ.

Hình 3.2: Sơ đồ khối của khối động cơ

Để tăng độ chính xác cũng đáp ứng nhu cầu sử dụng động cơ với góc quay nhỏ hơn, nhà sản xuất đã cung cấp công thức (3.1) tính góc quay động cơ bước [8] như sau:

S =

𝑍𝑠

- Sr là góc giữa 2 răng kề nhau. - Zs là số cặp cực trên stator.

Trong động cơ bước lưỡng cực Hybrid JK42HS40-1704 Nema17 có góc giữa 2 răng kề nhau là 1.80, số cặp cực trên stator có thể là 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 tùy vào mục đích nhu cầu người sử dụng. Trong đề tài với yêu cầu độ chính xác và tính ổn định nên nhóm chọn sử dụng 32 cặp cực trên stator để tạo ra góc quay nhỏ và độ chính xác cao phù hợp với yêu cầu đề tài. Ta có góc quay cho mỗi bước là:

S =

32 ^{= 0.05625}

0 (3.2)

Để có được độ chính xác và góc bước nhỏ nhất (0.056250) phù hợp với yêu cầu hoạt động của thiết bị, nhóm đã chọn điều khiển động cơ bằng phương pháp điều khiển vi bước (microstep). Mạch điều khiển động cơ nhận tín hiệu xung clock tới từ khối vi điều khiển, sau đó chuyển tín hiệu nhận được thành tín hiệu điện áp đặt vào các cuộn

Mạch điều khiển Động cơ Cơ khí đẩy đầu bơm tiêm Tín hiệu

dây trong động cơ bước tạo thành các cặp cực trên stator. Nhóm đã chọn module DRV8825 điều khiển động cơ bước sử dụng trong đề tài của mình.

Trình điều khiển vi bước DRV8825 cho phép độ phân giải cao hơn bằng cách cho phép các vị trí bước trung gian, có được bằng cách cung cấp năng lượng cho cuộn dây với mức dòng trung gian. Module điều khiển có các chế độ phân giải bước là l, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, và 1/32. Tương ứng số bước trên một vòng quay được tính theo công thức[18]:

N = 200

𝑇 ^(3.3)

Trong đó:

- N là số bước có trong 1 vòng quay. - 200 là sô bước cố định của động cơ. - T là độ phân giải.

Tương ứng ta cũng có được góc quay của mỗi bước theo công thức: S = 360

𝑁 ^(3.4)

Với :

- S là góc quay của 1 bước. - 360 góc của một vòng quay. - N là số bước có trong 1 vòng.

Các đầu vào bộ chọn độ phân giải MODE0, MODE1 và MODE2 cho phép lựa chọn từ độ phân giải sáu bước theo bảng bên dưới.

Bảng 3.1: Các chế độ Mode để chọn độ phân giải cho module Driver8825

MODE 1 MODE2 MODE3 Độ phân giải

Low Low Low Full step

High Low Low Half step

Low High Low 1/4 step

High High Low 1/8 step

Low Low High 1/16 step

High Low High 1/32 step

Low High High 1/32 step

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Độ phân giải càng cao góc quay càng nhỏ và độ chính xác càng cao. Để có được hoạt động của thiết bị hiệu quả và chính xác nhất nhóm đã lựa chọn độ phân giải 1/32 để điều khiển động cơ phục vụ cho yêu cầu của đề tài. Số bước trong một vòng quay là:

N = 200

1/32 ^{= 6400 (bước) (3.5)}

Góc quay cho mỗi bước:

S =

6400 ^{= 0.05625}

0 (3.6)

Trước khi sử dụng để điều khiển động cơ cần phải giới hạn dòng điện đầu ra cho module DRV8825 bằng cách đặt điện áp tham chiếu ở mức hợp lí. Dòng điện giới hạn sẽ được tính dựa vào điện áp tham chiếu theo công thức sau:

Current Limit = Vref × 2 (3.7) Động cơ được sử dụng trong đề tài sử dụng dòng điện tối đa là 2A để hoạt động (số liệu nhà sản xuất cung cấp), vậy nên dòng điện giới hạn cho đầu ra của module DRV8825 là 2A, dựa vào công thức trên suy ra được điện áp tham chiếu Vref.

Vref

=

=

2 ^{= 1 (V) (3.8)}

Điều chỉnh điện áp tham chiếu Vref bằng các điều chỉnh biến trở trên module và dùng đồng hồ số để kiểm tra. Xem hình 3.3 để biết rõ hơn về sơ đồ kết nối giữa vi điều khiển, module Drv8825 và động cơ bước.

Hình 3.3:Sơ đồ kết nối Vi điều khiển, module Driver8825 và động cơ

VDD GND VĐK Nguồn cung cấp vi điều khiển 5VDC Nguồn cung cấp động cơ 12VDC

Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý kết nối giữa khối điều khiển và khối động cơ

Hình 3.4 là sơ đồ nguyên lý kết nối giữ khối điều khiển và khối động cơ. Khối điều khiển sử dụng 3 chân RB3, RB4 và RB5 để điều khiển 3 MOSFE của module DRV8825 ở chế độ phân giải 1/32. Chân RB6 có chức năng chuyển mức logic 0 và 1 được dùng để đổi chiều quay của động cơ. Chân RB7 sẽ là chân cấp xung clock cho module điều khiển động cơ bước DRV8825 với tần số xung sẽ được tính toán xử lí để có được thời gian đúng với yêu cầu đặt ra. Bằng cách sử dụng cơ chế xoắn tròn và đẩy đầu bơm tiêm về phía trước, với yêu cầu độ chính xác cao ổn định thì nhóm chọn sử dụng trục vitmet T8 như hình 3.5.

Hình 3.5: Trục vitme T8

Khi tục vitme xoay tròn sẽ đẩy đai ốc về phía trước hay lùi về sau tùy với mục đích sử dụng, kết thúc một vòng xoay tương ứng đai ốc sẽ di chuyển được 8mm. Đối với loại ống tiêm 10ml/cc ta có 1ml/cc tương ứng với độ dài 5mm( kết quả đo thực nghiệm từ ống bơm tiêm). Khi xoay một vòng thì đai ốc sẽ di chuyển được 8mm suy ra để bơm được 1ml/cc thì số vòng cần xoay là:

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

N = 5

8 ^{= 0.625 (vòng) (3.9)}

Tương ứng động cơ sẽ thực hiện 0.625x6400 = 4000 (bước), vậy sau khi thực hiện 4000 bước thì động cơ sẽ đẩy bơm được 1ml/cc cho loại bơm tiêm 10ml/cc.

Đối với loại bơm tiêm 20ml/cc, thể tích bơm nhỏ nhất là 2ml tương ứng 6mm (kết quả đo thực nghiệm). Suy ra để bơm được 2ml thì số vòng động cơ cần quay là:

N = 6

8 ^{= 0.75 (vòng) (3.10)}

Tương ứng động cơ sẽ thực hiện 0.75x6400 = 4.800 (bước), vậy sau khi thực hiện 4.800 bước thì động cơ sẽ đẩy bơm được 2ml/cc cho loại bơm tiêm 20ml/cc.

b. Khối hiển thị

Khối hiển thị sẽ hiển thị các thông số cài đặt, giúp người sử dụng, người bệnh và bác sĩ biết được thời gian bơm thuốc, thể tích thuốc, thời gian kết thúc quá trình bơm và báo động khi xảy ra sự cố.

Trong hệ thống sử dụng truyền dữ liệu ở chế độ 8 bít để truyền dữ liệu từ vi điều khiển đến và hiển thị trên màn hình LCD 20x4. Hình 3.6 là sơ đồ nguyên lý giao tiếp giữ vi điều khiển.

Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý giữa LCD 20x4 với vi điều khiển

Vi điều khiển sử dụng port D từ RD0 đên RD7 để truyền dữ liệu 8 bit với LCD và 3 chân RE0, RE1 và RE2 dùng đề điều khiển LCD. Bảng 3.2 là thứ tự kết nối giữa các chân LCD 20x4 với chân của vi điều khiển.

Bảng 3.2: Thứ tự kết nối giữa các chân LCD với chân vi điều khiển

Vị trí chân Kí hiệu chân LCD Chân kết nối VĐK

4 RE RE0 5 R/W RE1 6 E RE2 7 D0 RD0 8 D1 RD1 9 D2 RD2 10 D3 RD3 11 D4 RD4 12 D4 RD5 13 D5 RD6 14 D7 RD7

c. Khối giao tiếp.

Là khối giao tiếp giữa người sử dụng với thiết bị thông qua các nút bằng các giá trị thông số cài đặt, bắt đầu quá trình bơm, dừng quá trình bơm và kết thúc quá trình bơm đều được điều khiển bằng các nút nhấn. Hình 3.7 là sơ đồ kết nối nút nhấn trong đề tài.

Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý của bàn phím sử dụng trong đề tài

Khi nhấn nút tín hiệu trả về vi điều khiển sẽ là mức thấp tương ứng với mức logarit 0, nhận được tín hiệu từ bàn phím vi điều khiển sẽ xử lí và thực hiện chức năng tương ứng với phím sử dụng. Chức năng các phím nhấn được định nghĩa trong bảng 3.3.

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Bảng 3.3: Chức năng và các chân linh kiện kết nối với bàn phím

Tên nhãn gán phím Chức năng

RESET Reset tái khởi động lại thiết bị.

XI LANH Lựa chọn bơm tiêm sử dụng, có 2 loại bơm tiêm loại 10ml/cc và 20ml/cc.

LẤY THUỐC Xác định lượng thuốc có trong bơm tiêm đồng thời di chuyển phần đầu đẩy bơm đến vị trí đặt bơm tiêm.

CN3 Tắt báo động cho thiết bị.

THỜI GIAN Chọn nhập thời gian bơm thuốc cho quá trình điều trị.

THỂ TÍCH Chọn nhập lưu thuốc cần bơm cho quá trình điều trị

ĐẨY KHÍ Đuổi lượng bọt khí ra khỏi ống dây dẫn và có chức năng bơm nhanh cho thiết bị.

VALUE UP Tăng giá trị

VALUE DOWN Giảm giá trị

OK Lưu giá trị đã cài đặt

START Bắt đầu quá trình bơm thuốc

STOP Tạm dừng quá trình bơm thuốc

d. Khối phát hiện lỗi

Dựa vào áp lực thay đổi khi bị nghẽn, nhóm đã chọn sử dụng cảm biến áp lực dạng Film FSR402, hình 3.9 là sơ đồ kết nối cảm biến áp lực với vi điều khiển [19].

Hình 3.9: Mạch giao tiếp giữa cảm biến với vi điều khiển

Ta có FSR là cảm biến áp lực được kí hiệu như một điện trở, khi không có lực tác dụng thì trở kháng của cảm biến có giá trị lớn hơn hoặc bằng 10MΩ và lực tối đa tác dụng tương ứng 100 Newton thì điện trở thay đổi tối đa là 200Ω [19] (datasheet của cảm biến cáp lực FSR402). R là điện trở kéo xuống, lựa chọn điện trở kéo xuống sẽ giúp xác định được phạm vi lực cần đo. Ta có 1kg bằng 10 Newton suy ra cảm biến áp lực sẽ đo được trong lượng từ 0.01 đến 10 kg, nhà sản xuất đã cung cấp đồ thị phân chia điện áp và đường cong giữa vout và lực cho các giá trị R khác nhau xem hình 3.10.

Hình 3.10: Đồ thị phân chia điện áp và đường cong giữa điện áp và điện trở

Biểu đồ trên cho thấy các đường cong Vout vs lực tác dụng cho các giá trị khác nhau của R (điện trở kéo xuống). Điện trở 10kΩ hoạt động tốt khi sử dụng cảm biến trên toàn bộ phạm vi lực của nó (100g đến 10kg). vì thế nhóm quyết định sử dụng điện trở 10kΩ cho mạch phát hiện nghẽn, điện áp đầu ra khi phát hiện lực tác dụng tác động lên

Vi điều khiển RA1

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

trở kháng của cảm biến. Nhóm em quyết định chọn mức nghẽn nằm ở 0.2 bar để áp dụng cho đề tài.

0.2 bar = 0.02 N/m² (3.11) Lực tác dụng lên mặt phẳng cảm biến đường kính 13mm sẽ là:

N = ¹³²

4 𝑥𝜋x0.02 = 2.65 N (3.12) Dựa vào đồ thị phân chia điện áp hình 3.10, Vout của 265g nằm ở giá trị khoảng 2.2V. Giá trị ADC áp lực sẽ là: ^2.2𝑥1023

5

= 450

Opamp được sử dụng cho ngõ ra của tín hiệu tương tự của cảm biến áp lực như 1 mạch đệm với hệ số khuếch đại bằng 1. Lợi dụng ưu điểm của opamp, mạch đệm cho đầu vào Vin có trở kháng lớn điều này khiến cho dòng tải tín hiệu nhỏ, tín hiệu ít suy hao.

e, Khối báo hiệu

Để cảnh báo người dùng, người giám hộ hay người giám hộ bằng thính giác lẫn thị giác, nhóm quết định sử dụng led và còi buzzer như hình 3.12 trong khối báo hiệu.

Hình 3.11: Led và buzzer sử dụng trong đề tài.

Đèn led sử dụng dòng điện 5mA và điện áp hoạt động 2.4VDC. Để tránh hiện tượng quá áp dẫn đến hư hỏng led nên nhóm đã mắc thêm điện trở để tránh trường hợp hư hỏng linh kiện xảy ra.

R = ^{𝑉𝑐𝑐−𝑉𝑙𝑒𝑑}

𝐼𝑙𝑒𝑑 (3.14) Trong đó:

- Vcc: Điện áp tín hiệu mức cao của vi điều khiển 5VDC. - Vled: Điện áp của led sử dụng 2.4VDC.

Điện trở sử dụng sẽ có giá trị là: R = ^5−2.4

10 = 260Ω (3.15)

Vì trên thị trường không có loại điện trở 260 Ω nên nhóm chọn sử dụng điện trở 330 Ω để sử dụng cho đề tài, sơ đồ nguyên lí xem hình 3.13.

Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lí kết nối led với nguồn và điện trở

Buzzer sử dụng có tần số 90 – 93dB nằm trong khoảng âm thanh mà tại người nghe thấy rõ được. Buzzer sử dụng điện áp 5V để hoạt động và mức tiêu thụ dòng điện tối đa là 22mA, để buzzer có thể phát ra âm thanh to hơn nhóm đã sử dụng mạch khuếch đại BJT trong mạch nguyên lý kết nối buzzer với vi điều khiển, sơ đồ như hình 3.13.

Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý kết nối buzzer với vi điều khiển

Khi tín hiệu chân RA2 ở mức cao tương ứng là 5VDC thì ta có:

5 = IBR14 + VBE (3.16)  IB = (5 - VBE )/R14 = (5 – 0.7)/10  IB = 0.43 (mA). Đồng thời ta có IC = β IB và β = 100 Vi điều khiển RA2

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Suy ra: IC = 0.43 x 100 = 43 (mA) (3.17)

Với dòng điện cấp cho buzzer là 43mA lớn hơn so với dòng điện tiêu thụ tối đa là 22mA vì thế buzzer sẽ hoạt động ổn định với tối đa công suất.

e. Khối vi điều khiển

Khối vi điều khiển là bộ não trung tâm điều hành hoạt động của thiết bị, từ những thông số cài đặt của người sử dụng, khối vi xử lí sẽ thực hiện tính toán, xử lí, đưa ra kết quả và đồng thời gửi lệnh điều khiển các khối còn lại.

Hình 3.14: Sơ đồ nghuyên lí chức năng các chân của vi điều khiển 16F887

Các chân được định nghĩa và sử dụng với các chức năng như sau:

- Các chân của Port D và port E được sử dụng giao tiếp với khối hiển thị với chức năng hiển thị màn hình LCD loại 20x4. Hiển thị các thông số cài đặt ban đầu - Hai chân RC7, RC6 là chân được sử dụng để lựa chọn loại bơm tiêm sử dụng và

xác định lượng thuốc có trong bơm tiêm.

- Chân RA3 là chân chức năng chọn chế độ 2 loại bơm tiêm 20ml hoặc 10ml - RC1, RC2, RA4 và RA5 sẽ là các chân chức năng nhập thời gian và thể tích. - Chân RC0 là chân tín hiệu có chức năng bơm nhanh của thiết bị.

- 3 chân RB0, RB1, RB2 có chức năng lưu giá trị nhập ,cho phép bắt đầu quá trình bơm và dừng quá trình bơm khi có trục trặc sự cố xảy ra trong quá trình bơm. - Chân MCLR có chức năng reset tái khởi động lại thiết bị.

- Chân RA1 chân được sử dụng kiểm tra bơm tiêm được gắn vào thiết bị.

- Chân RA0 là chân sẽ kiểm tra phát hiện nghẽn trong quá trình thiết bị hoạt động. Chân RA2 sẽ có chức năng phát tín hiệu cho buzzer hoạt động.

- Vi điều khiển sẽ điều khiển hoạt động của khối động cơ thông qua các chân RB3,