1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
2.3.1. Khối cảm biến trọng lƣợng
2.3.1.1 Định nghĩa
Khối cảm biến trọng lƣợng là thiết bị điện tử cảm nhận những thay đổi trọng lƣợng từ vật cần đo trọng lƣợng và biến đổi thành các tín hiệu điện để điều khiển các thiết bị khác. Khối cảm biến trọng lƣợng là một trong ba thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển.
2.3.1.2. Cấu trúc, nhiệm vụ, nguyên lý hoạt động của khối cảm biến.
Cấu trúc: Khối cảm biến trọng lƣợng bao gồm cảm biến, nguồn nuôi cảm biến, các đƣờng tín hiệu đầu ra trả tín hiệu về Vi Điều Khiển, các bộ phận chống nhiễu, bộ phận căn chỉnh 0.
58
Nhiệm vụ: Nhiệm vụ của khối cảm biến là đo đạc, nhận biết sự thay đổi về trọng lƣợng của vật cần đo, xuất tín hiệu đo đƣợc về Vi Điều Khiển để xử lý sau đó hiện thị lên màn hình cung cấp thông số cho ngƣời cần thông tin.
Nguyên lý hoạt động: Sự thay đổi trọng lƣợng của vật cần đo sẽ làm biến thiên giá trị điện trở trong cảm biến LoadCell, dẫn đến điện áp ở tín hiệu đầu ra biến thiên theo sự thay đổi của trọng lƣợng vật cần đo. Tín hiệu chênh lệch này đƣợc báo về cho Vi Điều Khiển, Vi Điều Khiển nhận biết khoảng thay đổi, xử lý, sau đó xuất lên màn hình hiển thị.
Qua phân tích mục 2.1.3 đã chọn Loadcell làm cảm biến đo trọng lƣợng cho hệ thống cân điện tử tích hợp trên giƣờng bệnh nhân Nhi.
2.3.2. Bộ phận khuếch đại. 2.3.2.1. Định nghĩa. 2.3.2.1. Định nghĩa.
Bộ khuếch đại là một mạch điện tử của Tranzito hoặc bộ khuếch đại thuật toán với những linh kiện điện tử khác thông thƣờng là điện trở và tụ điện theo một định dạng để đƣợc một điện thế xuất bằng điện thế nhập nhân với hằng số khuếch đại. Nói khác hơn, nếu Vi là điện thế nhập, Vo là điện thế xuất. Ta có Vo = n.Vi. Với n là hệ số khuếch đại. Vì vậy, điện thế xuất lúc nào cũng phải lớn hơn điện thế nhập. Khối khuếch đại tín hiệu tƣơng tự có độ lớn phù hợp với đầu vào của bộ biến đổi tƣơng tự - số.
2.3.2.2. Cấu trúc, nhiệm vụ, nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại.
Cấu trúc: Bộ khuếch đại bao gồm 4 tầng. Tầng vào, tầng khuếch đại trung gian, tầng dịch mức và tầng ra.
- Tầng vào: Có công dụng khuếch đại tín hiệu vi sai ngõ vào (hai ngõ vào: đảo và không đảo).
- Tầng trung gian: Cũng là mạch khuếch đại vi sai để tăng cƣờng độ khuếch đại cho mạch. Tầng này gồm hai ngõ vào, ngõ ra bất cân bằng.
- Tầng dịch mức: Vì mức DC khi ghép giữa các tầng có chênh lệch do ảnh hƣởng của chế độ ghép trực tiếp nên tầng này dùng để dịch mức DC.
- Tầng ra: Thƣờng là mạch phát theo hay mạch khuếch đại đẩy kéo bổ sung nhằm tăng khả năng ra và trở kháng ra nhỏ.
Nhiệm vụ: Bộ khuếch đại có nhiệm vụ làm tăng biên độ tín hiệu giúp Vi Điều Khiển có thể xử lý dễ dàng hơn với các tín hiệu nhỏ hoặc rất nhỏ.
59
Nguyên lý hoạt động: Qua quá trình nghiên cứu đã quyết định sử dụng ADC ngoài 24 bits để đọc tín hiệu nhỏ từ bộ cảm biến truyền lên. ADC ngoài sử dụng là ADS1234, với chức năng đọc tín hiệu nhỏ sau đó xuất ra chuỗi bit để Vi Điều Khiển có thể nhận biết sau đó ứng với kết quả calip đƣợc, truy xuất ra khối lƣợng tƣơng ứng hiện thị lên màn hình LCD.
2.3.3. Bộ hiển thị. 2.3.3.1.Định nghĩa. 2.3.3.1.Định nghĩa.
Bộ hiển thị là bộ phận tiếp nhận tín hiệu từ Vi Điều Khiển biến đổi thành hình ảnh để ngƣời đọc có thể dễ dàng nhận biết bằng mắt thƣờng. Thông tin hiển thị bao gồm: Ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây – đảm bảo xác thực thời gian cân chính xác. Khối lƣợng tính bằng kilogam của vật cần cân. Trạng thái hoạt động của cân, năng lƣợng còn của pin. Các cài đặt cho hệ thống cân mà ngƣời dùng có thể điều chỉnh cho phù hợp với từng trƣờng hợp cân…
2.3.3.2 Cấu trúc, nhiệm vụ, nguyên lý hoạt động của bộ hiển thị.
Có nhiều cách để hiển thị thông tin cung cấp cho ngƣời dùng. Ví dụ nhƣ sử dụng Led 7 thanh, led matrix, LCD graphic, LCD text, truyền lên máy tính…
Đối với cách hiển thị bằng các dòng Led, ƣu điểm là rõ ràng, dễ nhìn, đẹp, nhƣng để điều khiển thay đổi các thông số cho hợp lý với từng trƣờng hợp là khó.
Với LCD graphic, việc lập trình là khó hơn so với LCD text, diện tích chiếm trên bo mạch của LCD graphic cũng lớn hơn nhiều, giá thành cao.
Với LCD text, lập trình đơn giản, giá thành rẻ và điều khiển các chế độ hoạt động của hệ thống đơn giản. Vì thế hệ thống này đã lựa chọn LCD text đê làm bộ phận hiển thị.
Cấu trúc: Bộ hiển thị thƣờng dùng LCD là các loại màn hình tinh thế lỏng nhỏ dùng để hiển thị các dòng chữ hoặc số trong bảng mã ASCII. LCD thƣờng đƣợc chia sẵn thành từng ô và ứng với mỗi ô chỉ thể hiện một kí tự ASCII. Mỗi ô của LCD bao gồm các chấm tinh thể lỏng, việc kết hợp ẩn và hiện các chấm này sẽ tạo thành một kí tự cần hiện thị. Trong LCD, các mẫu ký tự đƣợc định nghĩa sẵn. Kích thƣớc của LCD đƣợc định nghĩa bằng số kí tự có thể hiển thị trên một dòng và tổng số dòng mà LCD có.
Nhiệm vụ: Hiện thị khối lƣợng vật cần cân, ngày giờ cần và các thông số liên quan. Nguyên lý hoạt động: LCD có hai cách giao tiếp cơ bản là nối tiếp và song song. Giao tiếp nối tiếp chỉ sử dụng một đƣờng để nhận và xuất dữ liệu. Giao tiếp song song sử
60
dụng nhiều đƣờng truy xuất cùng lúc. LCD sử dụng trong dự án là loại LCD1602 bao gồm 3 chân điều khiển RS, RW, E và 2 chế độ truy xuất dữ liệu là chế độ 4 đƣờng và 8 đƣờng. Thƣờng sử dụng chế độ 4 đƣờng (R4, R5, R6, R7) để truy xuất dữ liệu cần hiển thị.
2.3.4. Bộ Xử Lý. 2.3.4.1. Định nghĩa 2.3.4.1. Định nghĩa
Bộ Vi Xử Lý là một linh kiện điện tử đƣợc chế tao từ các transistor thu nhỏ, tích hợp trên một vi mạch tích hợp đơn. Vi Xử Lý bao gồm các khối chức năng để lấy dữ liệu, xử lý dữ liệu và xuất dữ liệu ra ngoài sau khi đã xử lý. Và chức năng chính của khối xử lý chính là xử lý dữ liệu, chẳng hạn nhƣ cộng, trừ, nhân, chia, so sánh...
2.3.4.2. Cấu trúc, nhiệm vụ, nguyên lý hoạt động của bộ xử lý
Cấu trúc: Cấu trúc chung của bộ vi xử lý bao gồm khối xử lý trung tâm, bộ nhớ, khối phối ghép vào/ra, hệ thống bus.
- Khối xử lý trung tâm: Có nhiệm vụ tính toán, xử lý tín hiệu đầu vào. So sánh với các tín hiệu chuẩn để đƣa ra tín hiệu yêu cầu. Điều khiển các thiết bị ngoại vi...
- Bộ nhớ: Có chức năng lƣu dữ liệu chuẩn để so sánh đƣa ra khối hiển thị, là nơi lƣu các tập lệnh do ngƣời dùng viết để điều khiển, xử lý và đƣa ra các tín hiệu mong muốn.
- Khối phối ghép vào/ra: Bao gồm các Port, các cổng đầu vào/ra nhận dữ liệu hoặc truy xuất dữ liệu ra các thiết bị ngoại vi.
- Hệ thống bus: Cáp truyền tải các tín hiệu vào/ra từ bộ cảm biến tới Vi Xử Lý và từ Vi Xử Lý tới các thiết bị ngoại vi.
Nhiệm vụ: Khối Vi Xử Lý là phần trung tâm của hệ thống, là đầu não điều khiển mọi hoạt động, mọi chức năng của hệ thống. Nhận tín hiệu, căn chỉnh, xử lý tín hiệu. Điều chỉnh các phƣơng thức hoạt động của hệ thống cho hợp lý với từng trƣờng hợp. Xuất dữ liệu tới phần hiển thị, cung cấp thông tin cho ngƣời sử dụng.
Nguyên lý hoạt động: Vi Xử Lý nhận tín hiệu liên tục từ bộ cảm biến truyền về. Xử lý tín hiệu tƣơng tự thành tín hiệu số, căn chỉnh, tìm và so sánh với dữ liệu đã calib từ trƣớc thu đƣợc tín hiệu đúng. Sau đó xử lý dữ liệu đƣa lên bộ hiển thị.
61
2.3.4.3. Các loại Vi Xử Lý thƣờng dùng hiện nay
Trên thị trƣờng hiện nay có rất nhiều loại Vi Xử Lý có tính năng nổi trội khác nhau. Ví dụ nhƣ: AVR, PIC, họ 8051, ARM, MSP.
Vi Xử Lý sử dụng trong hệ thống này là ATmega thuộc dòng AVR. ATmega là một họ vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất. ATmega là chip vi điều khiển 8 bits với cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa – RISC (Reduced Instruction Set Computer), một kiểu cấu trúc đang thể hiện ƣu thế trong các bộ xử lý.
So với các chip vi điều khiển 8 bits khác, ATmega có nhiều đặc tính hơn hẳn, hơn cả trong tính ứng dụng (dễ sử dụng) và đặc biệt là về chức năng:
- Gần nhƣ không cần mắc thêm bất kỳ linh kiện phụ nào khi sử dụng AVR, thậm chí không cần nguồn tạo xung clock cho chip (thƣờng là các khối thạch anh). - Thiết bị lập trình (mạch nạp) cho AVR rất đơn giản, có loại mạch nạp chỉ cần
vài điện trở là có thể làm đƣợc, một số AVR còn hỗ trợ lập trình on – chip bằng bootloader không cần mạch nạp…
- Bên cạnh lập trình bằng ASM, cấu trúc AVR đƣợc thiết kế tƣơng thích với ngôn ngữ lập trình C.
- Nguồn tài nguyên về source code, tài liệu, application note… rất lớn trên internet.
- Hầu hết các chip ATmega có những tính năng (features) sau :
Có thể sử dụng xung clock lên đến 16MHz, hoặc sử dụng xung clock nội lên đến 8MHz (sai số 3%).
Bộ nhớ chƣơng trình Flash có thể lập trình lại rất nhiều lần và dung lƣợng lớn, có SRAM (Ram tĩnh) lớn, và đặc biệt có bộ nhớ EEPROM.
Nhiều ngõ vào/ra (I/O PORT) 2 hƣớng (bi-directional).
8 bits, 16 bits timer/counter tích hợp PWM.
Các bộ chuyển đổi Analog – Digital phân giải 10 bits, nhiều kênh.
Chức năng Analog comparator.
Giao diện nối tiếp USART (tƣơng thích chuẩn nối tiếp RS232).
Giao diện nối tiếp Two – Wire – Serial (tƣơng thích chuẩn I2C) Master và Slaver.
62
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
3.1. Thiết kế cơ khí 3.1.1. Yêu cầu chung 3.1.1. Yêu cầu chung
Khi thiết kế cơ khí của cân điện tử tích hợp trên giƣờng cho bệnh nhân nhi cần tuân theo các yêu cầu sau:
- Hệ thống gá, đỡ vững chắc nhƣng vẫn phải đảm bảo cân chính xác ở mọi trƣờng hợp.
- Thiết kế gọn, đảm bảo tính thẩm mĩ, dễ dàng khi sửa chữa, làm nhanh khi sản xuất. - Sử dụng chất liệu gá, đỡ an toàn, thân thiện với môi trƣờng, không ảnh hƣớng tới
sức khỏe của bệnh nhân.
- Vị trí lắp đặt Loadcell hợp lý, đảm bảo cân ở mọi vị trí, tƣ thế bệnh nhân nằm. - Dễ dàng gá, lắp đặt, tích hợp vào giƣờng của bệnh nhân, đảm bảo cân hoạt động
24/24.
3.1.2. Quy trình thiết kế 3.1.2.1. Tổng quan 3.1.2.1. Tổng quan
Quy trình thiết kế một sản phẩm bao gồm bốn bƣớc cơ bản sau: Bƣớc 1: Phát sinh ý tƣởng.
Bƣớc 2: Nghiên cứu khả thi.
Bƣớc 3: Phát triển và thử nghiệm thiết kế ban đầu. Bƣớc 4: Hoàn thiện thiết kế cuối cùng của sản phẩm.
3.1.2.2. Ý tƣởng
Việc tạo sản phẩm đƣợc phát sinh từ sự hiểu biết nhu cầu khách hàng và chủ động trong việc phát triển đƣợc những nhu cầu của khách hàng.
Việc nhận thấy nhu cầu sử dụng cân điện tử trong bệnh viện Nhi Trung Ƣơng là rất lớn, nhóm em đã đƣợc cán bộ tại bệnh viện yêu cầu thiết kế, chế tạo cân điện tử tích hợp trên giƣờng của bệnh nhân để có thể cân trực tiếp khi bệnh nhân vẫn đang nằm điều trị.
3.1.2.3. Chi tiết thiết kế
Với nhu cầu hiện tại, giƣờng cần tích hợp cân là lồng ấp Ohmeda nhƣ hình dƣới đây.
63 Hình 3.1 Lồng ấp Ohmeda. - Chiều dài: 77 cm. - Chiều rộng: 48 cm. - Chiều cao h1: 35 cm. - Chiều cao h2: 43 cm. - Cạnh vát: 16 cm.
- Mặt giƣờng: 70cm x 42 cm x 2cm trong đó phần lõm giữa của mặt giƣờng: 25cm x 24 cm x 1cm.
- Phần bao của mặt giƣờng: 70cm x 42 cm x 2cm trong đó phần lõm giữa của mặt giƣờng: 32cm x 27cm x 1.5cm.
64
Trẻ sơ sinh sẽ đƣợc đặt trên đệm mỏng thông qua mặt giƣờng bằng nhựa màu trắng. Với mục tiêu thiết kế hệ thống nhỏ gọn, có thể đặt ngay trong lồng ấp mà không gây ảnh hƣởng gì tới bệnh nhân cũng nhƣ kết cấu ban đầu của lồng ấp. Sau khi tính toán và phân tích quyết định đặt hệ thống cảm biến cân ngay bên dƣới tấm đỡ nhựa màu trắng. Cấu trúc cơ khí của hệ thống cảm biến:
- Mặt đế bằng mica với kích thƣớc: 32cm x 27cm x 1cm đặt vừa khít vào phần lõm giữa của lồng ấp với cùng kích thƣớc của mặt đế.
- Mặt trên bằng mica với kích thƣớc: 25cm x 24 cm x 1cm làm giá đỡ cho mặt giƣờng và phần lõm của mặt giƣờng đƣợc đặt vừa khí lên tấm này.
- Ba Loadcell tạo góc 120 độ, trong đó mỗi đầu của Loadcell đƣợc gắn với một viên bi trƣợt. Phần này đƣợc vít giữa mặt trên và mặt đế.
- Tổng chiều cao của hệ thống là 6.5 cm.
Với thiết kế nhỏ gọn, hệ thống hoàn toàn có thể đặt vào lồng ấp Ohmeda mà không ảnh hƣởng gì tới bệnh nhân và kết cấu cơ khí của lồng ấp Ohmeda.
Sử dụng mica cứng làm mặt trên và đƣợc gắn ba Loadcell tạo góc với nhau 120 độ ở phía dƣới để có thể đỡ toàn bộ lực mà bệnh nhân tác động xuống.
65
Hình 3.2 Bộ phận gá, đỡ, tiếp nhận lực tác động của bệnh nhân.
Bộ phận gá, đỡ gồm hai phần chính:
- Phần cố định, gắn vào giƣờng ở bên dƣới. Bao gồm một tấm mica cứng, dày có gắn Loadcell bên trên.
- Phần trƣợt tự do bên trên là một tấm mica cứng, dày có tác dụng đỡ toàn bộ diện tích nằm của bệnh nhân, nhận lực và truyền lực xuống các đầu Loadcell.
66
Hình 3.3 Mặt trên gắn với ba Loadcell.
Loadcell đƣợc gắn tạo với nhau góc 120 độ, và chiều nhận lực ở bên ngoài, tạo diện tích gá, đỡ rộng, ổn định và vững chắc.
Trên đầu nhận lực của Loadcell có gắn bi trƣợt có tác dụng truyền lực xuống Loadcell, không gắn cố định vào mặt mica phía trên để có thể cân chính xác trọng lƣợng trong mọi trƣờng hợp, mọi tƣ thế, vị trí nắm của bệnh nhân. Các đầu tín hiệu đƣợc đƣa ra ngoài tới hộp điều khiển.
Tấm mica phía dƣới này có thể gắn dễ dàng vào khung cơ khí của giƣờng có sẵn trong bệnh viện bằng cách khoan, bắt vít chắc chắn.
Với 3 cảm biến khối lƣợng Loadcell, mỗi cảm biến có mức tải tối đa là 20kg. Tổng khối lƣợng tối đa của hệ thống có thể chịu đƣợc là 60kg. Với đối tƣợng bệnh nhân Nhi, mức dự phòng tới 60kg là rất an toàn. Có thể đặt các thiết bị điều trị mà không lo lắng tới việc quá tải.
67
Hình 3.4 Loadcell đƣợc gắn vào phần mặt dƣới.
Loadcell đƣợc gắn chặt với tấm mica cố định thông qua một tấm mica nhỏ tạo khoảng trống cho Loadcell có thể cong xuống tạo tín hiệu về bộ điều khiển nhận biết để hiện thị. Các cảm biến Loadcell khác cũng đƣợc gắn tƣơng tự.
Tóm lại, một số đặc điểm của hệ thống này sau khi thiết kế xong là:
- Tổng chiều cao của cả hệ thống Loadcell này là 6.5cm, trong khi đó chiều cao h2 = 43cm, h1 = 35cm do vậy khi đặt trẻ sơ sinh lên hệ thống này vẫn đảm bảo về khoảng cách từ bệnh nhân tới đỉnh của lồng ấp.
- Phần mặt trên và phần đế của hệ thống đƣợc đặt vừa khít với phần mặt giƣờng và phần đáy của lồng ấp đảm bảo không bị xê dịch khi bệnh nhân di