(Đồ Án Tốt Nghiệp) Thiết Kế Và Thi Công Bơm Tiêm Điện Đa Chức Năng.pdf

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH KỸ THUẬT Y SINH

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BƠM
TIÊM ĐIỆN ĐA CHỨC NĂNG
GVHD: PGS.TS Nguyễn Thanh Hải
SVTH1: Huỳnh Thanh Nil
MSSV1: 16129049
SVTH2: Trần Đình Tn
MSSV2: 16129080

Tp. Hồ Chí Minh – 08/2020


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH KỸ THUẬT Y SINH
ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BƠM
TIÊM ĐIỆN ĐA CHỨC NĂNG
GVHD: PGS.TS Nguyễn Thanh Hải
SVTH1: Huỳnh Thanh Nil
MSSV1: 16129049
SVTH2: Trần Đình Tn
MSSV2: 16129080

Tp. Hồ Chí Minh - 08/2020


LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do nhóm tự tìm hiểu, nghiên cứu, thi công dựa trên một số tài liệu trước đó
dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Thanh Hải. Nhóm cam đoan khơng sao chép
bất cứ các tài liệu hay cơng trình nghiên cứu liên quan nào trước đó nhằm mục đích phục
vụ cho đề tài, nếu có, nhóm xin chịu hồn tồn trách nhiệm.
Người thực hiện đề tài
Huỳnh Thanh Nil - Trần Đình Tuân

iv


LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Thanh Hải_ Giảng viên
bộ môn Điện Tử Công Nghiệp-Y Sinh đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo
điều kiện để hồn thành tốt đề tài.
Chúng em xin gửi lời chân thành cảm ơn các thầy cơ trong Khoa Điện-Điện Tử
nói chung, các thầy cơ bộ mơn Điện Tử Cơng Nghiệp-Y Sinh nói riêng đã giúp chúng
em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo những điều kiện tốt nhất cho chúng em

hoàn thành đề tài.
Đồng thời, chúng em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 161290 đã chia
sẻ trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề
tài.
Cuối cùng, chúng em xin cảm ơn đến cha mẹ đã luôn quan tâm, động viên, khích
lệ chúng em trong suốt q trình học tập và thực hiện khoá luận tốt nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn!
Người thực hiện đề tài
Huỳnh Thanh Nil – Trần Đình Tuân

v


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ................................................................................ i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ..................................................... ii
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... iv
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. v
MỤC LỤC ...................................................................................................................... vi
LIỆT KÊ HÌNH VẼ ..................................................................................................... viii
LIỆT KÊ BẢNG ............................................................................................................ xi
TĨM TẮT ..................................................................................................................... xii
Chương 1. TỔNG QUAN ............................................................................................... 1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ....................................................................................................... 1
1.2 MỤC TIÊU ............................................................................................................ 2
1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .................................................................................. 2
1.4 GIỚI HẠN ............................................................................................................. 2
1.5 BỐ CỤC................................................................................................................. 2
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................................... 4
2.1 TỔNG QUAN QUY TRÌNH TIÊM THUỐC ....................................................... 4

2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ................................................................................. 4
2.2.1 Vi điều khiển ................................................................................................... 5
2.2.2 LCD hiển thị .................................................................................................... 6
2.2.3 Motor bước ...................................................................................................... 6
Chương 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ ....................................................................... 8
3.1 GIỚI THIỆU .......................................................................................................... 8
3.2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG........................................................... 8
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ........................................................................... 8
3.2.2 Tính tốn và lựa chọn linh kiện ....................................................................... 9
3.2.3 Tính tốn, xử lý giá trị thời gian và thể tích nhập vào .................................. 21
vi


3.2.4 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch..................................................................... 23
Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ............................................................................ 25
4.1 THI CÔNG HỆ THỐNG ..................................................................................... 25
4.1.1 Thi cơng board mạch ..................................................................................... 25
4.1.2 Q trình thi công các khối và kiểm tra ........................................................ 25
4.2 THI CƠNG MƠ HÌNH ........................................................................................ 30
4.2.1 Cố định bộ điều khiển với mơ hình ............................................................... 30
4.2.2 Thi cơng mơ hình .......................................................................................... 31
4.3 LƯU ĐỒ VÀ THUẬT TỐN CHƯƠNG TRÌNH ............................................. 35
4.3.1 Tóm tắt các chức năng của hệ thống bơm tiêm điện ..................................... 35
4.3.2 Lưu đồ giải thuật chính của chương trình ..................................................... 37
4.4 PHẦN MỀM SỬ DỤNG LẬP TRÌNH ............................................................... 42
Chương 5. KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ ....................................................... 43
5.1 ĐÁNH GIÁ CHỨC NĂNG TỪNG KHỐI ......................................................... 43
5.1.1 Khối nguồn .................................................................................................... 43
5.1.2 Khối vi điều khiển ......................................................................................... 44
5.1.3 LCD ............................................................................................................... 44

5.1.4 Motor bước, driver và thiết bị ngoại vi ......................................................... 45
5.2 KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ CHỨC NĂNG HỆ THỐNG .................................. 46
5.2.1 Kết quả và đánh giá chức năng bơm tiêm thông thường .............................. 46
5.2.2 Kết quả và đánh giá chức năng kiểm soát đau .............................................. 51
5.2.3 Kết quả và đánh giá chức năng sử dụng thư viện thuốc................................ 52
5.3 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ............................................................ 53
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................. 61
6.1 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 61
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................................................... 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 62
PHỤ LỤC ...................................................................... Error! Bookmark not defined.

vii


LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình

Trang

Hình 2.1 Cấu trúc timer 1. ............................................................................................... 5
Hình 2.2 Cấu tạo của động cơ bước. ........................................................................... 7
Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ bước. ......................................................... 7
Hình 3.1 Sơ đồ khối của bơm tiêm điện. ........................................................................ 8
Hình 3.2 PIC 16f877A. ................................................................................................. 10
Hình 3.3 Loại nút nhấn được sử dụng trong đề tài. ...................................................... 11
Hình 3.4 Sơ đồ kết nối chân 8 nút nhấn với vi điều khiển 16f877a trên phần mềm mơ
phỏng Proteus. ............................................................................................................... 11
Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý nút nhấn tích cực mức thấp. ................................................ 12
Hình 3.6 Sơ đồ kết nối chân LCD với vi điều khiển 16f877a trên phần mềm mô phỏng

Proteus. .......................................................................................................................... 14
Hình 3.7 Động cơ bước Nema 17. ................................................................................ 15
Hình 3.8 Vitme và đai ốc. ............................................................................................. 16
Hình 3.9 Khớp nối kết nối vitme và trục motor bước. .................................................. 16
Hình 3.10 Kim tiêm 5ml. .............................................................................................. 17
Hình 3.11 Khối kết nối giá đỡ kim tiêm, motor bước và vitme. ................................... 17
Hình 3.12 a, Khung cơ khí khi chưa lắp mặt trên; b, Khung cơ khí khi đậy mặt trên. . 18
Hình 3.13 a, Vị trí đặt thanh giá đỡ kim tiêm lên khung nhơm mặt dưới; b, Vị trí đặt
thanh giá đỡ kim tiêm có các mặt bên........................................................................... 18
Hình 3.14 Mặt trên của bơm tiêm điện. ........................................................................ 19
Hình 3.15 Mặt sau của bơm tiêm điện. ......................................................................... 19
Hình 3.16 Mơ hình bơm tiêm điện hồn chỉnh. ............................................................ 20
Hình 3.17 Thiết kế khối nguồn ni cho hệ thống. ...................................................... 21
Hình 3.18 Sơ đồ nguyên lý tổng quát của hệ thống. ..................................................... 24
Hình 4.1 Mặt dưới (a) và mặt trên (b) của khối nguồn sau khi hàn xong. .................... 25
Hình 4.2 Kết quả đo điện áp ngõ vào (a) và điện áp ngõ ra (b) của khối nguồn. ......... 27
Hình 4.3 Mặt dưới (a) và mặt trên (b) của vi điều khiển sau khi hàn. .......................... 28
Hình 4.4 Mặt dưới (a) và mặt trên (b) của khối ngõ vào sau khi hàn. .......................... 28
viii


Hình 4.5 Mặt dưới (a) và mặt trên (b) của khối output sau khi hàn, vị trí số 1 là chân
cắm LCD, vị trí số 2 là chân cắm driver. ...................................................................... 29
Hình 4.6 Mặt dưới (a) và mặt trên (b) của board mạch sau khi hàn. ............................ 30
Hình 4.7 Board mạch và driver sau khi kết nối với mặt dưới của tấm mica. ............... 30
Hình 4.8 Mặt dưới (a) và mặt trên (b) khung cơ khí hệ thống. ..................................... 31
Hình 4.9 Mặt trên (a) chưa khi nối dây và mặt trên (b) khi đã kết nối các dây dẫn. .... 32
Hình 4.10 Mặt sau của hệ thống. .................................................................................. 32
Hình 4.11 Hệ thống sau khi được cố định các mặt bên. ............................................... 33
Hình 4.12 Motor bước sau khi kết nối với vitme. ......................................................... 34

Hình 4.13 3 phần của giá đỡ kim tiêm. ......................................................................... 34
Hình 4.14 Bơm tiêm đặt trên khối giá đỡ. .................................................................... 34
Hình 4.15 Hệ thống sau khi thi cơng hồn chỉnh. ......................................................... 35
Hình 4.16 Vị trí 2 nút nhấn, nút nhấn số 1: dịch chuyển bơm tiêm sang trái, nút nhấn số
2: dịch chuyển bơm tiêm sang phải............................................................................... 37
Hình 4.17 Lưu đồ chính cho đề tài. ............................................................................... 38
Hình 4.18 Lưu đồ chương trình con nhập thể tích. ....................................................... 39
Hình 4.19 Lưu đồ chương trình con tính tốn giá trị. ................................................... 41
Hình 4.20 Lưu đồ chương trình con điều khiển motor bước. ....................................... 40
Hình 5.1 Đế tản nhiệt cho IC LM7805. ........................................................................ 43
Hình 5.2 Lỗi hiện thị của LCD mà nhóm gặp phải. ...................................................... 44
Hình 5.3 Nội dung trên LCD sau khi được khắc phục lỗi. ........................................... 45
Hình 5.4 Các giá trị thời gian và thể tích được nhóm kiểm tra. .................................... 50
Hình 5.5 Vị trí cắm nguồn và cơng tắc. ........................................................................ 53
Hình 5.6 Chức năng điều chỉnh vị trí. ........................................................................... 54
Hình 5.7 Vị trí lắp bơm tiêm (1 là vị trí tịnh tiến dùng để truyền thuốc; 2 là vị trí gáng
cố định thân bơm tiêm). ................................................................................................ 54
Hình 5.8 Chọn loại bơm tiêm ....................................................................................... 55
Hình 5.9 Màn hình chọn chức năng số 1. .................................................................... 56
Hình 5.10 Màn hình nhập thể tích................................................................................. 56
Hình 5.11 Màn hình nhập thời gian. ............................................................................. 57
Hình 5.12 Màn hình xác nhận bơm thuốc. .................................................................... 57
ix


Hình 5.13 Màn hình chọn chức năng số 2. ................................................................... 58
Hình 5.14 Màn hình nhập thể tích, thời gian và thời gian giữa 2 lần bơm thuốc. ........ 59
Hình 5.15 Màn hình chọn chức năng Thư viện thuốc. ................................................. 59
Hình 5.16 Màn hình nhập cân nặng. ............................................................................. 60

x


LIỆT KÊ BẢNG
Bảng

Trang

Bảng 3.1 Bảng so sánh 2 loại LCD thông dụng trên thị trường ................................... 13
Bảng 3.2 So sánh tính năng kỹ thuật của một số loại Driver đang phổ biến. ............... 14
Bảng 3.3 Tổng hợp công suất của các linh kiện sử dụng cho đề tài ............................. 20
Bảng 4.1 Danh sách các linh kiện được sử dụng trong mạch ....................................... 26
Bảng 4.2 Kết quả điện áp ngõ vào và ngõ ra của khối nguồn....................................... 27
Bảng 5.1 Giá trị thời gian, thể tích nhập vào và giá trị thực tế đo được đối với kim tiêm
5ml................................................................................................................................. 46
Bảng 5.2 Kết quả tính tổng số bước và thời gian một bước theo lý thuyết .................. 48
Bảng 5.3 So sánh chênh lệch thời gian trên đơn vị tổng số bước ................................. 48
Bảng 5.4 Kết quả thời gian và thể tích thu được sau khi đổi thuật toán mới đối với bơm
tiêm 5ml. ....................................................................................................................... 49
Bảng 5.5 Kết quả thời gian và thể tích thực tế kiểm tra được đối với bơm tiêm 10ml 50
Bảng 5.6 Kết quả thời gian và thể tích thực tế kiểm tra được đối với bơm tiêm 50ml 50
Bảng 5.7 Kết quả thời gian và thể tích thực tế kiểm tra được đối với bơm tiêm 10ml cho
chức năng kiểm soát đau ............................................................................................... 51
Bảng 5.8 Kết quả thời gian cài đặt giữa 2 lần tiêm cho chức năng kiểm sốt đau ....... 52
Bảng 5.9 Kết quả kiểm thể tích bơm được đối với thuốc Propofol 1% ........................ 53

xi


TĨM TẮT

Với đề tài “Thiết kế và thi cơng bơm tiêm điện đa chức năng”, nhóm lập trình
cho 3 chức năng: Chức năng bơm tiêm thông thường, chức năng kiểm soát đau và chức
năng sử dụng ngân hàng thuốc. 2 giá trị đầu vào là nhập thời gian truyền và thể tích
truyền, sau đó bơm tiêm sẽ truyền lượng thuốc đúng với thể tích và thời gian mong
muốn đó. Để đáp ứng được yêu cầu trên, thay vì xử lý 2 giá trị thời gian và thể tích nhập
vào, nhóm sẽ xử lý 2 giá trị tương ứng đó là tổng số bước quay của motor bước và thời
gian quay một bước. Kết quả kiểm tra đối với giá trị thời gian thì có sai số, từ 2-5%, cịn
thể tích thì sai số nằm trong khoảng 2%. Nhìn chung, kết quả thu được có sai số, tuy
nhiên vẫn nằm trong mức cho phép.

xii


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, song song với sự phát triển vượt bậc của nền kinh tế thì các vấn đề về
mơi trường, xã hội, chính trị vẫn cịn tồn tại những mặt yếu kém, mà quan trọng nhất là
sức khỏe của con người cũng bị ảnh hưởng. Thế giới ngày càng hiện đại, công nghệ 4.0
cũng đã len lỏi tới từng căn nhà góc phố. Khoa học kỹ thuật cũng đã được áp dụng rộng
rãi trong đời sống, trong đó có sức khỏe của con người. Có rất nhiều nghiên cứu, phát
minh mang tính đột phá, tất cả vì mục đích chung là cải thiện sức khỏe con người. Theo
nghiên cứu của tổ chức nghiên cứu thị trường Polaris, tính đến năm 2017 thị trường ống
tiêm toàn cầu được định giá 6,88 tỷ USD và dự kiến đến năm 2026 con số đó là 11,19
tỷ USD [1]. Từ những số liệu thống kê trên, ta thấy được số lượng bệnh nhân sử dụng
kim tiêm là cực kỳ lớn.
Có rất nhiều vấn đề khi sử dụng kim tiêm: sử dụng không đúng loại, sử dụng không
phù hợp với những loại thuốc đặc thù, không có khả năng tự bơm thuốc trong thời gian
dài, độ chính xác lấy thuốc khơng cao, …những điều đó đều ảnh hưởng trực tiếp lên cơ

thể bệnh nhân, thuốc không có tác dụng khi tiêm khơng đủ liều lượng, sốc thuốc khi
tiêm q liều, thậm chí có thể ảnh hưởng đến tính mạng bệnh nhân [2]. Hiện nay, tại
Việt Nam chưa có một nghiên cứu rõ ràng nào để tăng khả năng chính xác trong lúc
tiêm thuốc: khả năng chính xác về thời gian tiêm thuốc, khả năng chính xác về liều
lượng thuốc được tiêm vào cơ thể con người.
Trên thế giới có rất nhiều quốc gia đã đưa cơng nghệ vào để cải thiện vấn đề trên,
tiêu biểu là các công ty đã cho ra mắt sản phẩm bơm tiêm điện như: Bbraun của Đức,
Medima của Ba Lan, Terumo của Nhật Bản. Ưu điểm lớn nhất của những sản phẩm bơm
tiêm điện này là bơm thuốc với liều lượng và thời gian rất chính xác, có hỗ trợ chức
năng tự kiểm soát đau cho bệnh nhân [3]. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất là giá thành
của những sản phẩm này rất cao, từ vài chục triệu đến hàng trăm triệu, …Nhìn chung,
tất cả các bơm tiêm điện đều có đặc điểm chung là sự kết nối giữa khối vi điều khiển,
động cơ bước và bơm tiêm [4]. Điều khiển động cơ bước là việc lập trình động cơ quay
theo chiều và tốc độ như mong muốn của người sử dụng [5]. Tốc độ của bơm tiêm sẽ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
được điều khiển thông qua việc điều khiển tốc độ động cơ bước [6]. Với tất cả những lý
do nêu trên, nhóm chúng em kiến nghị thực hiện việc thiết kế và thi công bơm tiêm điện
đa chức năng.

1.2 MỤC TIÊU
Thiết kế và thi công bơm tiêm điện có 3 chức năng chính: chức năng bơm thơng
thường, chức năng kiểm soát đau và chức năng sử dụng ngân hàng thuốc.

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp với đề tài Thiết kế và thi cơng bơm

tiêm điện đa chức năng, nhóm chúng em sẽ tập trung giải quyết và hoàn thành được
những nội dung sau:
- Nội dung 1: Nghiên cứu những chức năng của bơm tiêm điện
- Nội dung 2: Thiết lập lưu đồ giải thuật cho từng chức năng
- Nội dung 3: Thiết kế mơ hình kết nối giữa VĐK, motor bước và kim tiêm.
- Nội dung 4: Viết code cho từng chức năng.
- Nội dung 5: Thi công phần cứng,
- Nội dung 6: Chạy thử nghiệm, kiểm tra và hiệu chỉnh.
- Nội dung 7: Viết báo cáo thực hiện.
- Nội dung 8: Bảo vệ luận văn.

1.4 GIỚI HẠN
Các vấn đề giới hạn của đề tài bao gồm:
-

Khơng có khả năng lưu kết quả trong trường hợp mất điện.

-

Không thay đổi các thơng số trong q trình hoạt động.

-

Khơng có khả năng hoạt động tiếp khi nhấn nút tạm dừng hoạt động.

-

Khơng giải quyết được tình trạng có khơng khí trong khi bơm

1.5 BỐ CỤC

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Đối với đề tài thiết kế và thi cơng bơm tiêm điện đa chức năng thì bố cục đồ án
sẽ có những phần như sau:
 Chương 1: Tổng quan.
Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung
nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.
 Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
Chương này trình bày tổng quan về bơm tiêm điện, phần cứng và yêu cầu sơ bộ
của đề tài đối với từng khối trong phần cứng.
 Chương 3: Thiết Kế và Tính Tốn.
Chương này trình bày về thiết kế, tính tốn sơ đồ khối của hệ thống, sơ đồ
nguyên lý toàn mạch. Đồng thời sẽ lựa chọn linh kiện sử dụng cho đề tài.
 Chương 4: Thi công hệ thống.
Chương này thể hiện phần thi cơng của từng khối, thi cơng tồn mạch. Đồng
thời thể hiện phần lưu đồ giải thuật của từng chức năng của đề tài.
 Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá.
Chương này nêu lên kết quả đạt được sau khi hoàn thiện hệ thống, nhận xét về
kết quả đạt được trong đề tài này, đồng thời đánh giá đề tài có đạt được mục tiêu, u
cầu đưa ra khơng.
 Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển.
Chương này kết luận về kết quả đạt được, chưa đạt được những gì, đồng thời
đưa ra hướng phát triển của đề tài.
 Chương 7: Tài liệu tham khảo.
Liệt kê tất cả các tài liệu đã tham khảo để hoàn thành đề tài này.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

3


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về các vấn đề lý thuyết liên quan tới
việc thực hiện đề tài bơm tiêm điện.

2.1 TỔNG QUAN QUY TRÌNH TIÊM THUỐC
Tiêm thuốc là quá trình tiêm, bơm những thuốc dạng dung dịch hòa tan vào trong
cơ thể qua các đường da, tĩnh mạch [7]. Quy trình thực hiện trong quá trình tiêm thuốc
là: Kiểm tra đúng bệnh nhân, đúng thuốc, đúng liều lượng, đúng thời gian và đúng kỹ
thuật tiêm [8]. Trong đó, vấn đề đúng liều lượng và đúng thời gian sẽ được đề cập trong
đề tài này, cụ thể, tùy vào thể trạng của bệnh nhân mà bác sĩ muốn tiêm bao nhiêu thuốc
trong khoảng thời gian bao lâu, tốc độ tiêm truyền cũng được kiểm soát.
Một số phương pháp tiêm thuốc hiện nay là: tiêm thuốc thủ công và tiêm thuốc
bằng bơm tiêm điện. Quá trình tiêm thuốc thủ công được thực hiện bởi y tá hoặc bác sĩ,
thuốc sẽ được hút vào kim tiêm, sau đó được truyền vào cơ thể bệnh nhân bằng cách
tiêm. Quá trình này được thực hiện thủ cơng, độ chính xác về thể tích thuốc được hút
vào và truyền đi phụ thuộc vào người lấy thuốc và cách vận hành của người lấy thuốc.
Đối với quá trình tiêm thuốc bằng bơm tiêm điện, thể tích truyền đi và thời gian truyền
được quản lý chặt chẻ. Người dùng chỉ cần nhập thể tích và thời gian truyền mong muốn,
việc còn lại là của bơm tiêm điện thực hiện đúng thể tích và thời gian mong muốn đó.
Vấn đề thời gian chính là sự khác nhau giữa 2 phương pháp này, quá trình tiêm thuốc
thủ công sẽ không quản lý được lưu lượng (hay tốc độ) thuốc truyền vào cơ thể, và thời
gian tiêm thuốc đối với phương pháp này nằm trong khoảng 10 giây, vì thực tế, khơng
có y tá hay bác sĩ nào có thể đứng tiêm thuốc cho bệnh nhân trong thời gian dài, và nếu

có thì lưu lượng thuốc cũng khơng được đảm bảo (vì lúc tiêm nhanh lúc tiêm chậm).
Nhưng đối với việc sử dụng bơm tiêm điện thì vấn đề thời gian được đảm bảo, có thể
truyền trong thời gian dài và tốc độ ổn định.

2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
Bơm tiêm điện bao gồm khối vi điều khiển điều khiển motor bước quay, khi motor
bước quay sẽ làm đẩy bơm tiêm, qua đó thuốc được truyển đi. Vì vậy, phần cứng của đề
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
tài tốt nghiệp hệ thống bơm tiêm điện bao gồm các linh kiện như sau: vi điều khiển,
motor bước, driver, lcd, nút nhấn.

2.2.1 Vi điều khiển
Cấu trúc chung của một vi điều khiển bao gồm: bộ vi xử lý (CPU), bộ nhớ
(Memory) và thiết bị xuất nhập IO tích hợp chung một chip. Ngồi ra, tùy vào từng loại
vi điều khiển mà cịn có thêm các phần cứng như: bộ định thời (timer), bộ biến đổi tương
tự-số ADC, bộ biến đổi số - tương tự DAC, bộ điều chế độ rộng xung PWM, … Đối với
bơm tiêm điện, mục tiêu chính là điều khiển động cơ bước với thời gian chính xác, vì
vậy, vi điều khiển có kết hợp bộ định thời (timer) và PWM sẽ được sử dụng trong đề tài
này. Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu sử dụng vi điều khiển, trong đó phải kể đến việc
sử dụng vi điều khiển 16f877a để tạo ra hồ cá thông minh bao gồm kiểm soát nhiệt độ,
độ ẩm và thời gian [9].
Timer là bộ đếm thời gian, dùng để tính tốn thời gian chính xác để thực hiện một
cơng việc nào đó, sử dụng xung clock bên ngoài chip (thạch anh) [10]. Đối với vi điều
khiển PIC họ 16f877 có 3 loại timer: T0, T1 và T2, T0 là timer 8 bit, trong khi đó T1 là
timer 16 bit và cả 2 đều có bộ chia trước, T2 dùng cho các ứng dụng đặc biệt.

Hình 2.1 Cấu trúc timer 1.
Nhìn vào sơ đồ trên ta thấy, timer 1 hoạt động ở chế độ định thời sử dụng xung nội
(OSC) thì bit TMR1CS ở mức 0. Tần số từ OSC qua bộ chia 4, 2 bit T1CKPS0 và
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

5


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
T1CKPS1 là tỉ lệ chia trước của tần số sau khi qua bộ chia 4, các tỉ lệ chia gồm: 1:1,
1:2, 1:4, 1:8. Vì timer 1 là timer 16 bit nên sẽ đếm được 216 = 65536 xung, thời gian của
mỗi xung sẽ phụ thuộc vào tần số thạch anh (OSC) và bộ chia. Giả sử trong trường hợp
sử dụng thạch anh 20MHz, qua bộ chia 4 bằng 5MHz, trong trường hợp sử dụng bộ chia
trước là lớn nhất, tức 1:8 thì tần số sẽ cịn 5MHz/8= 625000Hz. Vậy một xung sẽ có thời
gian:

1

625000

= 1,6 µs . Thời gian một lần tràn lớn nhất của timer1 sẽ là:

65536x1,6=105ms. Nếu so với timer0, thì thời gian một lần tràn lớn nhất sẽ là 26ms.
Đối với thuật tốn mà nhóm sử dụng, thời gian một xung tràn nhóm cài đặt là 1ms, do
vậy việc sử dụng timer0 hay timer1 cho đề tài khơng có sự khác nhau nhiều, nên nhóm
chọn timer1 sử dụng [11].

2.2.2 LCD hiển thị
LCD (Liquid Crystal Display) là màn hình tinh thể lỏng, hiển thị các kí tự đa dạng,

trực quan (chữ, số và kí tự đồ họa), … LCD có 2 chế độ hoạt động: chế độ đọc và chế
độ ghi, chế độ đọc cho phép đọc thơng tin từ LCD, cịn chế độ ghi nghĩa là xuất thông
tin điều khiển cho LCD. LCD có nhiều loại, đối với việc kết hợp với vi điều khiển thì
có nhưng dạng cơ bản sau: LCD 16x2, LCD 16x4, … Đối với đề tài bơm tiêm điện,
chức năng chính của LCD là hiển thiện q trình bơm, hiển thị chức năng bơm cho
người sử dụng dễ dàng giao tiếp [12].

2.2.3 Motor bước
Động cơ bước là động cơ điện có nguyên lý hoạt động khác biệt so với những động
cơ thông thường. Chúng hoạt động dựa trên dùng các xung tín hiệu rời rạc kế tiếp nhau
tạo thành chuyển động góc quay [13]. Nếu cấp một xung điện thì motor sẽ quay một góc
nhất định, góc này được gọi là góc quay của động cơ (Step angle). Giả sử góc quay của
động cơ là a0 (độ) thì motor này sẽ có số bước là: 3600/a (bước). Số lượng bước của
động cơ sẽ phụ thuộc vào từng loại motor, số bước càng lớn, đồng nghĩa với việc motor
chạy càng êm và độ chính xác càng cao.
Cấu tạo của động cơ bước bao gồm: 1 rotor gồm 2 cặp cuộc nam châm vĩnh cửu,
là dãy các lá nam châm vĩnh cửu xếp chồng lên nhau, trên các lá nam châm này lại chia

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
thành các cặp cực xếp đối xứng nhau. Stator được tạo bằng sắt từ được chia thành các
rãnh để đặt cuộn dây.

Hình 2.2 Cấu tạo của động cơ bước.
Nguyên lý hoạt động của động cơ như sau: ban đầu rotor và stator đang ở vị trí pha
A, khi cấp điện cho 2 cuộn dây B và B’ trong 2 cuộn sẽ xuất hiện cực tính. Do cực tính

của cuộn dây pha và rotor ngược nhau nên dẫn đến rotor chuyển động đến vị trí B, cứ
như vậy lặp đi lặp lại cho các cặp cuộn dây khác và vị trí của rotor sẽ quay theo thứ tự
B, A’ và B’ như hình bên dưới [14].

Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ bước.
Đối với đề tài bơm tiêm điện, cần một loại động cơ bước có độ chính xác cao, đồng
nghĩa với việc độ phân giải của động cơ cao (góc quay động cơ thấp).

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

7


CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ

Chương 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ
3.1 GIỚI THIỆU
Trong chương này sẽ trình bày việc tính tốn, lựa chọn và thiết kế các bộ phận của
bơm tiêm điện bao gồm: khung cơ khí, board mạch điều khiển, bộ phận truyền động kết
nối giữa motor bước với kim tiêm.

3.2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Hệ thống bơm tiêm điện được thiết kế thành các khối như được mơ tả ở hình 3.1.

Hình 3.1 Sơ đồ khối của bơm tiêm điện.
Từ hình 3.1 trên, có thể thấy hệ thống bơm tiêm điện bao gồm: khối nguồn, khối
ngõ vào, khối điều khiển, khối ngõ ra và khối cơ khí kết nối giữa bơm tiêm và motor
bước.
Khối nguồn cung cấp nguồn cho khối vi điều khiển, khối ngõ vào và khối ngõ ra

hoạt động.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

8


CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ
Khối ngõ vào bao gồm các nút nhấn. Có tất cả 8 nút nhấn được sử dụng trong đề
tài bao gồm: nút nhấn UP, nút nhấn DOWN (tăng hay giảm 2 giá trị thể tích và thời
gian); nút nhấn LEFT-RIGHT (chọn vị trí để tăng hay giảm giá trị: ví dụ chọn vị trí hàng
trăm, hàng chục hoặc hàng đơn vị); nút nhấn OK (thực hiện cơng việc tiếp theo), nút
nhấn EXIT (để thốt về màn hình chính), nút nhấn tiêm (sử dụng cho chức năng kiểm
soát đau, cứ mỗi lần nhấn nút này thì bơm tiêm sẽ tiêm với các thơng số đã cài đặt sẵn),
nút nhấn LEFT và nút nhấn RIGHT (dùng để điều chỉnh bệ đỡ ống tiêm).
Khối điều khiển bao gồm: Vi điều khiển: có chức năng điều khiển bơm tiêm. Từ 2
giá trị thể tích và thời gian được nhập từ bàn phím, thơng qua thuật tốn, vi điều khiển
sẽ điều khiển động cơ bước quay phù hợp với 2 giá trị tương ứng đó. Ví dụ: trong trường
hợp nhập thể tích cần tiêm là 3ml tiêm trong vịng 20s, thì qua thuật tốn, motor bước
sẽ quay với tốc độ và thời gian đáp ứng được yêu cầu đặt ra là 3ml trong vòng 20s.
Khối ngõ ra: Bao gồm LCD, motor bước và driver. LCD có chức năng hiển thị
thơng số của bơm tiêm điện, trình tự thực hiện của một chu trình bơm. Motor bước có
chức năng quay với tốc độ và thời gian theo yêu cầu từ khối điều khiển. Để motor bước
hoạt động ở chế độ vi bước thì cần phải có driver, nói cách khác, driver có chức năng
chia nhỏ số bước của motor bước, thay vì motor bước quay một vịng mất 200 bước, thì
qua driver phải mất 1600 bước thì motor bước mới quay đủ vòng. Điều này sẽ làm cho
motor bước giảm bớt nhiệt độ trong q trình hoạt động (sẽ ít nóng hơn), đồng thời việc
chia nhỏ bước ra vậy sẽ giúp độ phân giải càng cao (quay càng “mượt và êm” hơn) [15].
Khối cơ khí kết nối giữa bơm tiêm và motor bước: motor bước, kim tiêm và các
kết nối cơ khí. Chức năng của khối này là khi nhận tín hiệu từ khối vi điều khiển, motor

bước sẽ quay, thơng qua các kết nối cơ khí, motor bước quay sẽ đẩy bơm tiêm. Thời
gian đẩy và tốc độ đẩy bơm tiêm đáp ứng được 2 giá trị thể tích bơm và thời gian bơm
được nhập từ bàn phím.

3.2.2 Tính toán và lựa chọn linh kiện
a. Lựa chọn và thiết kế khối vi điều khiển
Đối với khối vi điều khiển, chức năng chính là dùng để điều khiển động cơ bước.
Mục tiêu cốt lõi là điều khiển động cơ bước đáp ứng được thời gian và thể tích đưa ra.
Đối với vấn đề thời gian, trong vi điều khiển có bộ định thời (timer); bộ định thời này
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

9


CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ
cho phép tính tốn thời gian chính xác để thực hiện một cơng việc nào đó. Ngồi ra, vi
điều khiển có bộ điều chế độ rộng xung (PWM), PWM cho phép điều khiển tốc độ động
cơ theo ý muốn [16].
Theo như yêu cầu đặt ra của đề tài đối với chức năng bơm tiêm thơng thường,
người sử dụng nhập bất kì 2 giá trị thể tích bơm và thời gian bơm thì bơm tiêm sẽ hoạt
động. Giả sử trường trong trường hợp muốn motor bước quay 2 vịng trong 10s, Q
trình kiểm sốt 10s Timer sẽ kiểm sốt tốt hơn PWM, trong vịng 10s đó, một ngõ ra
của vi điều khiển sẽ đảo trạng thái liên tục, sao cho số xung xuất ra để motor bước quay
đúng 2 vịng (vì bản chất của motor bước là sẽ quay khi có kích xung cạnh lên) [17].
Như vậy, đối với yêu cầu của đề tài nhóm quyết định chọn Timer để điều khiển.
Hiện nay, một số loại vi điều khiển thông dụng mà sinh viên hay sử dụng như:
PIC, Arduino, ARM. Với việc sử dụng timer để đáp ứng cho đề tài, PIC là vi điều khiển
phù hợp nhất, mặc dù PIC không đa nhiệm như Arduino hay ARM nhưng PIC vẫn đáp
ứng được những yêu cầu sử dụng Timer của đề tài. Ngoài ra PIC cịn có những ưu điểm
khác như giá thành rẻ, dễ lập trình, dễ sử dụng. Và PIC mà nhóm chọn để sử dụng là

PIC16f877A.

Hình 3.2 PIC 16f877A.
Một số tính năng kỹ thuật của PIC16f877A như: Điện áp hoạt động 5V, tần số hoạt
động 20MHz, nhân 8 bit, … [18]. PIC 16f877A có 3 bộ định thời timer: timer 0, timer
1, timer 2. Nhóm sử dụng Timer1 để ràng buộc giá trị thời gian được nhập từ bàn phím.
b. Lựa chọn và thiết kế khối ngõ vào
Đối với khối ngõ vào, chức năng duy nhất là dùng để hỗ trợ việc nhập các giá trị
thể tích và thời gian. Khối ngõ vào có tổng cộng 8 nút nhấn, dường như khơng có sự
khác nhau để đưa ra việc lựa chọn nút nhấn, có chăng thì chỉ dựa trên tính thẩm mĩ hoặc
giá thành.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

10


CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ

Hình 3.3 Loại nút nhấn được sử dụng trong đề tài.
Loại nút nhấn nhóm sử dụng là loại nhấn nhả kích thước 10mm, tối đa 1A 250V.

Hình 3.4 Sơ đồ kết nối chân 8 nút nhấn với vi điều khiển 16f877a trên phần mềm mô
phỏng Proteus.
8 nút nhấn được kết nối vào port B của vi điều khiển, sử dụng thanh trở 1K kéo
lên để cấp xung tích cực mức thấp cho nút nhấn.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

11

CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ

Hình 3.5 Sơ đồ ngun lý nút nhấn tích cực mức thấp.
Từ hình 3.5, nguồn cung cấp là 5V, qua điện trở 1K còn

5

1000

= 0.005𝐴. Khi nhấn

nút, nguồn sẽ đi theo vịng kín từ nguồn đến nối đất, như vậy tín hiệu truyền vào vi điều
khiển ở mức LOW, ngược lại khi không nhấn nút, mạch bị hở mạch tại vị trí nút nhấn
nên khơng có tín hiệu truyền đến vi điều khiển. Do vậy, với vấn đề lập trình kiểm tra

nút nhấn có được nhấn hay khơng thì chỉ cần kiểm tra ngõ vào tương ứng của vi điều
khiển có đang ở mức LOW hay khơng, nếu đang ở mức LOW thì phím được nhấn,
ngược lại thì khơng nhấn.
c, Lựa chọn và thiết kế khối ngõ ra
Khối ngõ ra bao gồm LCD, motor bước, driver. Đối với LCD, sự khác nhau cơ bản
giữa các loại đó là kích thước. Hiện nay trên thị trường đang phổ biến 2 loại LCD: 16x2
và 20x4. Đối với đề tài của nhóm, cần thể hiện rõ những thông tin như: chọn chức năng
cho bơm tiêm, thông tin thể tích cần nhập, thơng tin thời gian cần nhập, thạng thái của
bơm tiêm.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

12

CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ
Bảng 3.1 Bảng so sánh 2 loại LCD thơng dụng trên thị trường
STT Loại
LCD

Giá

Tính năng kỹ thuật

Hình ảnh

thành
Hoạt động ở mức điện áp

01

16x2 28,000

5V, kích thước 80 x 36 x
12.5mm, có 2 chế độ
truyền 4 bit và 8 bit [19].
Hoạt động ở mức điện áp
5V, kích thước 98 x 60 x

02

20x4 88,000

13.5mm, có khả năng hiện
thị 4 dịng với mỗi dịng 20

ký tự, có 2 chế độ truyền 4
bit và 8 bit [20].

Đối với 2 loại LCD được trình bày ở trên, với mục tiêu để lựa chọn LCD là cần
thể hiện rõ nội dung, các giá trị và thông số để người sử dụng dễ dàng hiểu được. Do
vậy, nhóm quyết định lựa chọn loại LCD 20x4 với kích thước lớn hơn để truyền tải
thông tin đến người sử dụng hiệu quả hơn.
LCD hoạt động ở chế độ truyền 8 bit, nghĩa là 8 chân từ D0 tới D7 của LCD được
kết nối vào port D (tương ứng từ D0 đến D7) của vi điều khiển. Chân số 1 và chân số
16 được kết nối với GND, chân số 2 và chân số 15 kết nối vào nguồn cung cấp cho LCD
hoạt động, chân số 3 kết nối vào biến trở để điều chỉnh độ sáng của nền LCD, và dòng
vào chân số 3 được thay đổi bằng cách điều chỉnh biến trở. Thường thì biến trở ở mức
50%, nghĩa là sử dụng loại biến trở 1k thì giá trị sau điều chỉnh là 500Ω, do đó nguồn
vào sẽ là:

5

500

= 0.01𝐴. Ba chân 4, 5, 6 được kết nối vào port E để lựa chọn thanh ghi,

chế độ hoạt động, chế độ đọc hoặc chế độ ghi (được mơ tả ở hình 3.6).

Đối với driver sử dụng cho đề tài, mục tiêu chính là để chia vi bước cho motor
bước, đồng thời có thể tích hợp nguồn 12V trên driver để cung cấp cho motor bước hoạt
động (không cần phải sử dụng 2 nguồn riêng biệt 12V và 5V; 5V là để cung cấp cho vi
điều khiển, nút nhấn và LCD, 12V là cung cấp cho motor bước). Một số loại driver phổ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

13

CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ
biến đang sử dụng hiện nay như: A4988, DRV8825, TB6600. Bảng 3.2 sẽ mô tả, so sánh
chi tiết về các tính năng kỹ thuật của một số loại driver thơng dụng.

Hình 3.6 Sơ đồ kết nối chân LCD với vi điều khiển 16f877a trên phần mềm mơ phỏng
Proteus.
Bảng 3.2 So sánh tính năng kỹ thuật của một số loại Driver đang phổ biến.
STT

Tính năng kỹ thuật

Tên

Hình ảnh

Giá thành

Driver
Điện áp hoạt động từ 3-5,5V; điện
01

A4988

áp ngõ ra từ 8-34V, dòng tối đa 2A,

32,000

mức vi bước tối đa là 1/16.

Điện áp hoạt động từ 3-5.5V, điện
02

DRV8825

áp ngõ ra từ 8-45V, dòng điện ngõ
ra tối đa 1.5A, , mức vi bước tối đa

32,000

là 1/32.
Điện áp hoạt động từ 9-12V, dòng
03

TB6600

tối đa 4A, điện áp ngõ ra từ 9-40V,
dòng điện ngõ ra là 5A, mức vi

150,000

bước tối đa 1/32.
Đối với 3 loại driver trên, DRV8825 và TB6600 được ưu tiên lựa chọn cho đề tài
vì có mức vi bước tối đa đều là 1/32 và đều có nguồn 12V cung cấp cho motor bước
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

14