Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử lồng ấp trẻ sơ sinh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRUÔNG ĐẠI HỌC CỐNG NGHỆ
■ ■ ■
BÁO CÁO TỔNG KẾT
Đ ề tà i:
NGHlễN CỨU THICT Kế
CH€TRO THỬ LỒNG ấp TR€ sơ SINH
MÃ số: QC 05.09
Chủ trì: PGS. TS Ngô Diên Tập
Tham gia thực hiện:
Th s Nguyễn Kiêm Hùng
CN Lê Kim Tuyến
CN Phan Thúc Ngân
ĐAI HOC QU Ố C GIA HÀ NỔI
ĨPUNG TÂM t h ô n g tin thư việ n
D I /
_________
Hà Nôi 2006
Đề tài " Nghiên cứii thiết k ế chế tạo thử lồng ấp trẻ sơ sinh" được thực
hiện trong nhiều ngày tại Bệnh Viện Nhi Hà Nội. Nhóm Tác gid đề tài
xin chân thành cám ơn Bệnh viện, đặc biệt là các cán bộ của Phòng Kỹ
Thuật.
Nhóm tác giả cũng xin bày tỏ lời cám ơn tới Trung tâm Nghiên cứu
Điện Tử Viễn Thông đã tạo điểu kiện cho việc thực hiện đè tài này.
Nhóm Tác giả
MỤC LỤC
Trang
Mục lục 3
Đặt vấn đề 4
Chương 1. Những hiểu biết chung về lồng ấp trẻ sơ sinh 5
1.1 Mở đầu 5

1.2 Đo nhiệt độ trong lồng ấp trẻ sơ sinh 5
1.3 Đo độ ẩm trong lồng ấp trẻ sơ sinh 15
1.4 Một số lồng ấp đang được dùng ở Việt nam 20
Chương 2. Phần thực nghiệm và kết quả 35
2.1 Xây dựng hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ và độ 35
ẩm nhiều vị trí và thuật toán
2.2 Thử nghiệm dùng cảm biến nhiệt độ bằng vi mạch 42
bán dẫn
2.3 Thử nghiệm thiết kế bộ hiển thị nhiều kết quả đo 49
2.4 Tích hợp khả năng thông báo kết quả bằng giọng nói 52
cho hệ thống đo lường trong lồng ấp
2.5 Thiết kế hộ thống đo và điểu khiển độ ẩm nhờ quạt 60
thông gió
2.6 Thiết kế đo lường và điều khiển nhiệt độ đa nãng 61
2.7 Thử nghiệm và thiết kế vỏ lồng ấp 62
Kết luận 63
Danh mục các công trình đã công bố 64
Danh mục các sản phẩm đào tạo 65
Tài liệu tham khảo 66
3
ĐẶT VÁN ĐÈ
Thực hiện Nghị quyết của Bộ Chính trị về vấn đề tăng cường nội địa hoá các
thiết bị y tế, nhiều dự án nghiên cứu và chế thử các thiết bị y tế trong nước đã được
xây dựng và hỗ trợ kinh phí để thực hiện. Đề tài “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử
lồng ấp trẻ sơ sinh” là một trong những đề tài nàm trong số đó. Với tổng số kinh phí
đăng ký là 300 triệu đồng và 300 triệu đồng đối ứng của Công ty Viettronics Đổng Đa,
nhóm tác giả hy vọng có được một sản phẩm chế thử để giới thiệu với các bệnh viện
sử dụng và cho ra những thông tin đánh giá cần thiết.
Trong kinh phí đợt đầu được cấp là 50 triệu đồng (trong giai đoạn 2006), mục
đích mà nhóm tác giả đặt ra là chỉ tiếp cận với hệ thống lồng ấp và cụ thể hơn là với hệ

thống đo và điều khiển nhiệt độ và độ ẩm sử dụng trong lồng ấp. Đây cũng là điều đầu
tiên mà nhóm tác giả mong muốn được người đọc bản báo cáo này cảm thông về mức
độ hạn chế của nội dung viết trong báo cáo của đề tài, nghĩa là chưa đủ để đưa ra một
sản phẩm chế thử, mà lý do chính nàm trong cả thời gian nghiên cứu cũng như kinh
phí nghiên cứu.
về lý do chọn lồng ấp trẻ sơ sinh làm đối tượng nghiên cứu trước hết phải kể
đến: Lồng ấp nuôi dưỡng trẻ sơ sinh là một hệ thống thiết bị điện tử và nhiều chi tiết
cơ khí khá tinh vi và được thiết kế để có thể hoạt động ổn định liên tục nhiều giờ, thậm
chí nhiều ngày. Ngoài ra, đối tượng phục vụ là con người, là trẻ sơ sinh, mà đặc điểm
nổi bật của trẻ sơ sinh là yếu ớt, không những thế đa phần là trẻ bị bệnh hoặc sinh
thiếu tháng mới phải nằm trong lồng ấp là con người có sức sống còn rất yếu ớt nên
yêu cầu về độ tin cậy và độ chính xác của các thông số kĩ thuật phải rất cao. Do đó môi
trường trong lồng ấp phải gần với môi trường của trẻ khi chưa lọt lòng mẹ. Với yêu
cầu đó, hệ thống điều khiển nhiệt độ và độ ẩm của lồng ấp phải làm việc rất chính xác
và có độ tin cậy cao. Hiện nay, tại nhiều bệnh viện ở nước ta đã sử dụng lồng ấp để
chăm sóc các trẻ sơ sinh. Do cần độ tin cậy và chính xác cao của lồng ấp nên giá thành
của nó khá cao và chỉ có một số nước có nền khoa học kĩ thuật tiên tiến mới sản xuất
được lồng ấp. Việc đăng ký một đề tài nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử lồng ấp trẻ sơ
sinh thể hiện sự mạnh dạn của nhóm tác giả muốn đưa nhừng sản phẩm nghiên cứu
khoa học vào phục vụ thực tế, nhưng cũng có thể nhìn thấy trước những khó khăn đặt
ra cho đề tài cả về phía khách quan cũng như chủ quan (kinh nghiệm và khả năng của
những người thực hiện đề tài trong môi trường trường học).
Những nội dung chính sẽ được trình bày trong báo cáo này bao gồm:
- Nhừng hiểu biết chung về lồng ấp trẻ sơ sinh.
- Những kết quả thực hiện đã đăng ký bước đầu đề chế thử một lồng ấp.
- Những vấn đề bàn luận về hướng phát triển của đề tài.
4
NHỮNG HIÉU BIẾT CHƯNG VÈ LÒNG ÁP TRẺ s ơ SINH
Chương I
1.1 MỞ ĐẦU

Như đã nói đến ở phần đặt vấn đề, môi trường trong lồng ấp phải gần với môi
trường của trẻ khi chưa lọt lòng mẹ. Với yêu cầu đó, hệ thống điều khiển nhiệt độ và
độ ẩm của lồng ấp có nhiều vấn đề cần được tìm hiểu trước khi tìm cách thiết kế và
chế thử.
Trong chương đầu tiên về “N hững hiểu biết chung về lồng ấp trẻ sơ sinh” chúng
tôi giới thiệu các nội dung sau:
y Đo nhiệt độ trong lồng ấp
Trình bày các cảm biến đo nhiệt độ và phương pháp đo nhiệt độ trong lồng ấp.
> Đo độ ẩm trong lồng ấp
Trình bày phương pháp đo độ ẩm và đo độ ẩm trong lồng ấp.
> Một sổ lồng ấp hiện đang dược sử dụng
Giới thiệu các loại lồng ấp hiện đang được sử dụng tại các bệnh viện ở Việt Nam
như lồng ấp AGA của Italia, AR300-2750 của Pháp, H-1000 của Nhật Bản và đặc biệt
tìm hiểu kỹ về loại lồng ấp V-85 cũng do Nhật Bản sản xuất, nhưng có mức độ phức
tạp cao hơn và được ưa dùng ở nhiều bệnh viện ở Hà nội.
1.2 ĐO NHIỆT Đ ộ VÀ CẢM BIÉN NHIỆT ĐỘ TRONG LÒNG ÁP
1.2.1 CÁC CẢM BIÉN ĐO NHIỆT Đ ộ THƯ ỜN G DÙNG
1.2.1.1 Cảm biến nhiệt độ
Từ thời xưa, người ta đã biết đến tính chất của vật chất là có quan hệ mật thiết với
mức độ nóng lạnh của vật chất đó. Nóng hay lạnh là thể hiện mức độ giữ nhiệt của vật.
Mức độ nóng lạnh đó gọi là nhiệt độ. Khái niệm này dựa vào quan niệm về hiện tượne
5
truyền nhiệt và cân bàng nhiệt (các vật có nhiệt độ như nhau thì không có hiện tượng
truyền nhiệt cho nhau và lúc đó thì nó đã đạt đến trạng thái cân bàng nhiệt).
Theo thuyết động học phân tử, nhiệt độ là tham số vật lý biểu thị động năng trung
bình của chuyển động tịnh tiến của các phân tử tạo thành vật thể. Khi hai vật tiếp xúc
với nhau thì giữa chúng có hiện tượng trao đổi năng lượng giữa các phân tử cho đến
khi động năng của các phân tử trong hai vật bằng nhau mới thôi. Đó chính là hiện
tượng truyền nhiệt giữa hai vật cỏ nhiệt độ khác nhau, hiện tượng đó diễn ra cho tới
khi xảy ra sự cân bằng nhiệt. Tham số nhiệt độ thể hiện khả năng giữ nhiệt và có mối

quan hệ với các tính chất khác của vật.
Việc đo nhiệt độ được tiến hành nhờ các đầu đo hay còn gọi là các cảm biến đo
nhiệt độ. Các cảm biến làm nhiệm vụ chuyển đổi thông tin nhiệt độ của đối tượng
thành tín hiệu điện (dòng điện hoặc điện áp) thuận lợi cho việc xử lý. các cảm biến đo
nhiệt độ cỏ thể kể ra như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt điện, IC cảm biến nhiệt độ, điốt và
tranzito Tuỳ theo từng khoảng nhiệt độ cần đo có thể dùng các phương pháp khác
nhau. Thông thường nhiệt độ cần đo được chia thành ba dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ
trung bình và nhiệt độ cao.
Ở nhiệt độ trung bình và thấp thì phương pháp đo là phương pháp tiếp xúc nghĩa
là các chuyển đổi được đặt trực tiếp ở ngay môi trường cần đo. Đổi với nhiệt độ cao
thì đo bằng phương pháp không tiếp xúc, đụng cụ đặt ở ngoài môi trường đo. Căn cử
vào khoảng nhiệt độ cần đo và sai số của phép đo mà ta quyết định lựa chọn cảm biến
và phương pháp đo thích hợp.
♦ Khoảng nhiệt độ đo bàng phương pháp tiếp xúc và dùng cặp nhiệt là từ -270°c
đến 2500°c, độ chính xác có thể đặt tới ± 1% đến 0,1%.
♦ Khoảng đo nhiệt độ bàng phương pháp tiếp xúc và dùng cảm biến có tiếp xúc P
N (nhiệt điện trở, điốt, Tranzito, IC) là từ -200°c đến 200°c, sai số đến ± 1%.
♦ Phương pháp đo không tiếp xúc như bức xạ quang phổ có khoảng đo từ
1000°c đến vài nghìn °c với sai số ± 1% đến 0,1%.
Trên thực tế có nhiều loại thang được sử dụng để đo nhiệt độ. Các thane đo nhiệt
độ gồm: thang đo Celeius (°C), thang đo Kelvin (°K), thang đo Fahrenheit (°F), thang
đo Rankine (°R). Sau đây là công thức chuyển đổi giữa các thang đo:
T(°C) = T(°K) - 273,15
T(°F) = T f R ) - 459,67
T(°C) = (T(°F) - 32)* 5/9
T(°F) = T(°C) * 9/5 + 32
6
Bảng 1: Các thang nhiệt độ.
Kelvin(K) Celeius(°C)
Rankỉme(°R)

Fahrenteit(°F)
0,00 -273,15 0,00
-459,67
273,15
0,00 491,67
32,00
273,16 0,01 491,69 32,02
373,15 100,00 671,67
212,00
1.2.1.2 Đo nhiệt độ dùng điốt và tramiỉo
Có thể đo nhiệt độ bằng cách sử dụng kinh kiện nhạy cảm là điốt và tranzito mắc
theo kiểu điốt (nối cực gốc và cực góp) phân cực thuận với dòng điện không đổi. Điện
áp giữa hai cực sẽ là hàm của nhiệt độ.
Các linh kiện được sử đụng làm cảm biến đo nhiệt độ :
- Điốt
- Tranzito mắc thành điốt
- Hai tranzito giống nhau được mắc như điốt
a)
ị
b)
Hình \ : a) Điổt
b) Tramito mắc thành điốt
c) Hai tramito mắc thành điổt
c)
t a
t
:ịv,
7
Người ta lợi dụng sự thay đổi tuyến tính của chuyển tiếp P-N đối với nhiệt độ để
chế tạo ra các điốt và tranzito chuyên dùng làm cầu cảm biến nhiệt trong đo lường và

khống chế nhiệt độ.
1.2.1.3 Cảm biến đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở
Nhiệt điện trở được dùng để đo nhiệt độ của hơi nước, khí than trong các đường
ống, các lò phản ứng hoá học, các lò hơi, không khí trong phòng, lồng ấp trẻ sơ sinh,
Nhiệt điện trở thích hợp đo nhiệt độ trong khoảng -50°c đến 300°c.
Nguyên lý làm việc của nhiệt điện trở là dựa vào sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ:
R= f(t). Cuộn dây điện trở thường nẳm trong ống bảo vệ và tuỳ theo công dụng mà vỏ
ngoài có thể là kim loại, thuỷ tinh hoặc gốm.
❖ Đối với hầu hết các vật liệu dẫn điện thì giá trị điện trở R phụ thuộc vào nhiệt
độ theo hàm số sau :
R(T) = Ro * f(T - To)
Với :
- Ro là điện trở ở nhiệt độ T0.
- f(T - To) là hàm phụ thuộc đặc tính của vật liệu.
- f(T -T0)= 1 khiT = T0.
❖ Đối với điện trở bằng kim lo ại:
R(T) = Ro * ( 1 + aT + bT2 + cT3)
Trong đó :
- T tính bàng độ °c
- To = T(0°C)
♦♦♦ Đối với điện trở bằng oxit bán dẫn :
R(T) = Ro* exp[/? ( ! !- ) ]
T T 0
Trong đó :
- T là nhiệt độ tuyệt đối (°K).
- T0 - 273,15°K
Đây là loại cảm biến nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ, được chế tạo bằng
chất bán dẫn và được gọi là thermistor. Đặc điếm của thermistor là điện trở của nó
8
biến đổi rất lớn theo nhiệt độ. Thành phần chính là oxit kim loại như Mangan, Nikel,

Sắt, hoặc hỗn hợp tinh thể Aluminate Mangan (MnAl20), Titante kẽm (Zn2Ti04).
Nhiệt kế thermistor được chế tạo bàng cách ép định hình, sau đó nung nóng đón
10CTC trong môi trường oxy hoá. Việc lựa chọn tỷ lệ hồn hợp giữa các oxit hoặc hỗn
hợp tinh thể và môi trường nung đóng vai trò quan trọng quyết định đến chất lượng
của thermistor.
Trong những năm gần đây, các nhiệt kế thermistor được sử dụng nhiều vì có ưu
điểm: độ nhạy cao, đặc tính nhiệt ổn định, kích thước nhỏ, hình dáng dễ thay đổi khi
chế tạo.
Nhiệt điện trở bán dẫn chia làm hai loại :
❖ Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt dương PT (Positive Thermistor):
Loại này làm việc trên nguyên tắc: Khi nhiệt độ tăng thì điện trở tăng và thường
được cấu tạo từ các hợp chất như Ceramic, sắt, Titan, Bari.
❖ Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt âm NT (Negative Thermistor)
Loại này làm việc trên nguyên tắc: khi nhiệt độ tăng thì điện trở giảm. Loại này
được cấu tạo từ bột oxit kim loại Mangan, sắt, Nikel hoặc các hỗn hợp tinh thể
Aluminate Mangan (MnAl20), Titante Kẽm (ZnAl20 4).
Nguyên lý và đặc tuyến làm việc:
♦> Đặc tuyến nhiệt độ của nhiệt điện trở bán dẫn loại PT:
r ^
Hình 2. Đặc tuyên nhiệt độ của nhiệt điện trở bản dân loại PT.
9
Đặc tuyến này được giải thích như sau: Vùng A là vùng có hệ số nhiệt âm; B là
vùng có hệ số nhiệt dương rất lớn; c là vùng có hệ số nhiệt âm sâu. Vùng này rất nguy
hiểm và nhiệt điện trở dễ bị phá huỷ. Điểm M: là điểm làm việc của nhiệt điện trở.
Đáp ứng nhiệt độ tức thời khi cường độ dòng tăng vọt. Hệ số nhiệt và điểm làm việc
thay đổi theo thành phần các hợp chất cấu tạo thermistor.
❖ Đặc tuyến nhiệt độ của nhiệt điện trở bán dẫn loại N T:
Trị sổ của điện trở nhiệt giảm rất nhanh khi nhiệt độ tăng. Quan hệ này được biểu
diễn bởi hàm:
R(T) = A*expB/T

A: Hệ số điện trở phụ thuộc vào điện trở suất của chất bán dẫn.
B: Hệ số nhiệt phụ thuộc vào tính chất vật lý của vật liệu làm chất bán dẫn và loại
thermistor;
B (3000 + 5000) : Thermistor đo nhiệt độ thấp.
B (6000 + 13000) : Thermistor đo nhiệt độ cao.
Khi nhiệt độ càng giảm thì độ nhạy càng tăng. Đó là ưu điểm của nhiệt kế này.
Phạm vi sử dụng của thermistor là từ -50°c đến 300°c.
Hình 3, Đặc tuyến nhiệt độ của nhiệt điện trở bán dẫn loại NT.
1.2.1.4 Cảm biến dưới dạng IC
Kĩ thuật vi cơ điện tử cho phép chế tạo được nhừng mạch kết nối gồm nhiều
Tranzito giống nhau được sử dụng để làm cảm biến hoàn hảo. Việc đo nhiệt độ dựa
vào việc đo sự khác biệt điện áp Vbc dưới tác dụng của nhiệt độ. Các cảm biến này tạo
ra các dòng điện hoặc điện áp tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối với độ tuyến tính cao. Ưu
10
điểm cùa nó là vận hành đom giản, tuy nhiên phạm vi hoạt động chỉ giới hạn trong
khoảng 50°c -r 150°c.
❖ Nguyên lý chung của IC đo nhiệt độ
IC đo nhiệt độ là mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu dưới
dạng điện áp hoặc dòng điện. Dựa vào tính chất rất nhạy của bán dẫn với nhiệt độ, tạo
ra điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối. Khi đó tín hiệu sẽ biết
được giá trị của nhiệt độ cần đo.
Khi nhiệt độ thay đổi sẽ xảy ra hiện tượng ion hoá các nguyên tử nút mạng và tạo
ra các cặp hạt dẫn tự do: điện tích và lỗ trống. Các electron bứt ra khỏi các liên kết
ghép đôi thành điện tích tự do di chuyển qua các mạng cấu trúc tinh thể, tạo ra sự xuất
hiện các lỗ trống tăng theo qui luật hàm mũ với nhiệt độ. Kết quả của hiện tượng này
là khi phân cực thuận, dòng thuận của tiếp giáp P-N sẽ tăng theo theo hàm mũ của
nhiệt độ.
♦♦♦ Một sổ IC đo nhiệt độ thường dùng
- AD 590 : Phạm vi sử dụng - 55°c -r 150°c
- LX 5400 : Phạm vi sử dụng - 55°c -ỉ- 150°c

- LM 135 : Phạm vi sử dụng - 55°c -ỉ- 200°c
- LM 235 : Phạm vi sử dụng - 55°c -r 140°c
- LM 335 : Phạm vi sử dụng -10°c + 125°c
- LM 134 - 3; LM 134 - 6 : Phạm vi sử dụng - 50°c -r 125°c
- LM 234 - 3; LM 234 - 6 : Phạm vi sử dụng - 25°c + 100°c
1.2.1.5 Đo nhiêt đô bằng căp nhiêt điên
• m o • Jr • •
Ở đây nhiệt độ cần đo được cặp nhiệt điện chuyển đổi thành sức điện động để đưa
• Cấu tạo:
Một cặp nhiệt điện bởi hai dây dẫn A và b ỉàm từ các loại vật liệu khác nhau. Tại
hai diểm tiếp xúc của chúng có nhiệt độ T| và T2 sẽ tạo ra một sức điện động E n r2A/B.
Thông thường nhiệt độ của một trong hai mối hàn cố định và được dùng ỉàm chuẩn (T
= Tref). T2 là nhiệt độ cùa mối hàn thứ hai, khi được đặt trong môi trường nghiên cứu
nó sẽ đặt tới giá trị Tc chưa biết.Nhiệt độ Tc là hàm của nhiệt độ Tx (TX; T2) và của các
quá trình trao đồi nhiệt khác.
Cặp nhiệt điện được cấu tạo với kích thước rất bé cho phép việc đo nhiệt dộvới
cấp chính xác cao, cho phép một vận tốc đáp ứng nhanh do điện dung nhỏ.
11
Ngoài ra, nó còn có ưu điểm khác nữa là tín hiệu được tạo ra chính là sức điện
động mà không cần tạo ra một dòng điện chạy qua cảm biến. Như vạy sẽ tránh được
hiện tượng đốt nóng cảm biến.
Tuy nhiên nhược điểm của cặp nhiệt điện là trong quá trình đo nhiệt độ thì nhiệt
độ của đầu nối chuẩn (Tref) phải biết rõ. Độ chính xác của Tref quyết định độ chính xác
của T o
• Nguyên lý làm việc:
Nhàm tránh những tiếp xúc khác ngoài mối nối, hai dây dẫn được đặt trong vỏ
cách điện bàng sử. Cặp nhiệt điện với vỏ cách điện thường được che bằng lớp vỏ để
chống sự xâm phạm của các khí cũng như đột biến nhiệt lớp vỏ bàng sứ hoặc thép.
Trong trường hợp lớp vỏ bàng thép, mối nổi có thể được cách với vỏ hay tiếp xúc với
vỏ. Điều này có lợi là vận tốc đáp ứng nhanh nhưng nguy hiểm hơn.

Phương pháp hàn đầu mối nối của cặp nhiệt điện thông thường là hàn điện, hàn hồ
quang hay hàn hoá chất.
r ,
Bảng 2 : Một sô cặp nhiệt điện thông dụng.
Cặp nhiệt diện Nhiệt dộ làm việc
(T )
Sức diện dộng E (mV)
Độ chính xác
Platin-Rodi( 10%)/PIatin
<£> = 0 ,5 1 mm
- 5 0 - 1500
-0,236-15,576
(0 * 600'C ):± 2,5%
(600 - I500"C):±0,4%
PIatin-Rodi( 10%)/Platin
<D = 0 ,5 1 mm
- 5 0 - 1500
-2,226+ 17,445
(0 + 538‘C):±l,4%
(538 -H 500)'C:±0,2%
Platin-Rodi(30%)/Platin-
Rodi(6%)
o = 0,5 1/77/77
0 + 1700 0 + 12,426
{ 8 7 0 - I700’C):± 0,5%
Wonfram-Reni(5%)
Wonfram-Reni(26%)
0 * 2700
0 - 3 8 ,4 5
Chromel/Alumel

<J> = 3,25 mm
- 2 7 0 - 1250
-5,354 50,633
(0 + 400'C):± 3%
(400 - 1250'C):± 0.7%
Chromel/Constantan
(D = 3,2 5mm
-270 +870
-9,835 H- 66,473
(0 + 40 0’C):± 3%
(400 - 1250 C):± 0.7%
Sát/Constantan
d> = 3,2Smm
-2 1 0 -8 0 0
-8,096 * 45.498
(0 - 400'C):± 3%
(4 00- 800 C):± 0,7%
12
1.2.2 ĐO NHIỆT Độ TRONG LÒNG ÁP
1.2.2.1 Giói thiệu chung
Lồng ấp trẻ sơ sinh là một thiết bị y tế hiện đại, có độ tin cậy và chính xác cao.
Thiết bị này dùng để nuôi dưỡng những trẻ sơ sinh có sức khoẻ yếu hoặc là những trẻ
sơ sinh non tháng. Do phải chăm sóc một đối tượng bệnh nhân đặc biệt như vậy nên
lồng ấp đòi hỏi hoạt động phải tuyệt đối an toàn. Nhiệt độ của lồng ấp khi hoạt động
phải gần với nhiệt độ trong bụng của mẹ đứa trẻ. Nhiệt độ của lồng ấp quá cao hoặc
quá thấp đều có thể gây ảnh hưởng xấu trực tiếp đến đứa trẻ. Nhiều khi có thể nguy
hiểm đến tính mạng đứa trẻ. Vì vậy việc đo và điều khiển nhiệt độ trong lồng ấp là một
công việc khó khăn, đòi hỏi có sự chính xác cao.
Hiện nay, tại các bệnh viện trong hệ thống y tế nước ta có rẩt nhiều loại lồng ấp
được sử dụng. Nhưng nhìn chung, nguyên tắc đo và điều khiển nhiệt độ có chung một

sơ đồ khối như sau:
Hinh 4: Sơ đồ khổi.
1.2.2.2 Giải thích sơ đồ khối
a. K hối chuyến đỗi
Có nhiệm vụ chuyền đồi đại lượng nhiệt độ sang tín hiệu điện hoặc dịch chuyền
cơ học.
13
• Để chuyển đổi từ nhiệt độ sang tín hiệu điện có thể dùng các loại cảm biến đo
nhiệt độ như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt điện (thermocouple), đo nhiệt độ dùng
điốt và Tranzito, cảm biến dưới dạng vi mach IC và tuỳ theo cách dùng mà
mạch điện phối hợp có thể khác nhau.
• Để chuyển đổi nhiệt độ sang dịch chuyển cơ học có thể dùng phần tử lưỡng kim
(bimetal), thuỷ ngân, hợp kim, Phương pháp này dựa trên nguyên tắc dãn nở
vì nhiệt.
b. Khối định dạng tín hiệu
Nhiệm vụ của khối định dạng tín hiệu là khuếch đại tín hiệu Ư T t ừ cảm biến, s o
sánh với tín hiệu “đặt chuẩn” để đưa ra tín hiệu điều khiển YT thích hợp tới khối chấp
hành.
Khối này có thể gồm các mạch khuếch đại, so sánh, phối hợp trở kháng nếu Ư r
là tín hiệu điện. Nếu ƯT là dịch chuyển cơ học thì khối này đơn thuần là một hệ đòn
bẫy.
c. Kh ối chấp hành
Khối này có nhiệm vụ làm thay đổi trạng thái làm việc của đổi tượng. Thực chất là
đóng và ngắt công suất cho tải. Khối này có thể là role, thyristor.
d. K h ối đố i tượng
Đối tượng ở đây là các dây điện trở công suất từ vài trăm đến vài nghìn oát. Cung
cấp cho nó thường là nguồn điện lưới 220V-50Hz.
e. K h ối hiển thị
Khối hiển thị đưa ra số liệu về nhiệt độ đo được nhờ góc quay của kim, đeng chỉ
thị, đèn decactron, LED 7 thanh hay màn hình hiển thị.

_ ĩ 5
. K hôi nguôn nuôi
Khối này có chức năng duy trì và ổn định chế độ làm việc của các khối và cung
cấp công suất cho tải.
1.2.2.3 Đặc điểm của hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ
Luôn xảy ra quá trình thông tin đầy đủ (2 chiều) với sự tham gia của một hoặc
nhiều vòng phản hồi để luôn theo dõi đối tượng, ồn định một vài thông số của nó trong
giới hạn đã được vạch sẵn.
14
> Mức độ chính xác của quá trình tuỳ thuộc chặt chẽ vào khả năng phân giải của
phần tử so sánh và độ chính xác của nguồn tín hiệu chuẩn cũng như khả năng
biến đổi chính xác của phần tử đầu vào. Ở đây thấy rõ vai trò quyết định của
đường thông tin ngược tới chất lượng của hệ thống.
> Tuỳ theo phương pháp xừ lý, việc điều chỉnh có thể xảy ra liên tục theo thời
gian (hệ analog) hay gián đoạn theo thời gian (hệ digital) miễn sao đạt được
một giá trị trung bình mong muốn. Phương pháp điều chỉnh digital tỏ ra có
nhiều ưu điểm do tiết kiệm được năng lượng và phối ghép thuận lợi với các hệ
xử lý tín hiệu. Tuy nhiên với một hệ thống trong phạm vi nhỏ thì phương pháp
điều chỉnh analog là dề thực hiện bởi mạch điện đơn giản và có tính kinh tế
cao.
1.3 ĐO Đ ộ ẢM TRONG LÒNG ÁP
1.3.1 CẢM BIÉN Đ ộ ÁM
Cảm biến độ ẩm hoạt động dựa trên hiện ứng trường nhạy điện tích. Hiệu ứng
trường nhạy điện tích là một hiệu ứng của vi cảm biến silic. Hiệu ứng này được áp
dụng chủ yếu cho cảm biến hoá để đo mật độ vật chất trong không khí và dung dịch.
Quá trình hình thành điện tích được dùng làm nguyên tắc cảm biến. Quá trình đo phụ
thuộc vào độ ion hoá của đối tượng cần đo, hiệu ứng phân cực và quá trình phân cực
chọn lọc. Để đo mật độ khí ta còn cần đến quá trình hấp thụ và hấp giải phân tử khí.
Mật độ phân tử mang điện tích trong silic dưới lớp cách điện phụ thuộc vào lớp kép
trong chi tiết nhạy ion. Hiệu điện thế Av của lớp kép này phụ thuộc vào mật độ vật

chất cần đo. Hình 5 miêu tả hệ thống lớp tiêu biểu. Quá trình trao đổi chất xảy ra trong
lớp nhạy. Lớp nhạy sẽ không cần thiết đến nếu ta dùng một lớp cách điện nhạy với
môi trường đo (S i0 2, S3N4, AI2O3 ).
Hiệu điện thế AV hình thành tại ranh giới giừa môi trường và lóp nhạy hấp thụ
hay tại ranh giới giừa lớp nhạy hấp thụ và lớp cách điện. Hiệu điện thế này tạo trong
silic dưới lớp cách điện một lượng điện tích tỷ lệ với mật độ chất cần đo Ci.
Hiệu điện thế trên lớp nhạy A VIS là hàm của hoạt tĩnh ion ai (tỷ lệ thuận với Ci)\
Avis = Avis + ln(a/ + Kijaj)
Trong đó: Av°is là hiệu điện thế tại hoạt tĩnh ion ai = 1 và hàng sổ chọn Kij = 0.
15
Đại lượng đo là hoạt tĩnh ai. Quá trình phân ly khác nhau tại mật độ khác nhau
cững như thành phần phức tạp của môi trường cần đo khiến số ion linh hoạt không
tương đương với mật độ Ci. Hai đại lượng này phân biệt nhau bởi hệ số linh hoạt f i :
ai = fi * Ci
Dung dịch đo
AV f
Lớp nhạy
Lớp cách điệ
+++++++
f- + + + + + +
AV
a) b) c)
Hinh 5: Quá trình hình thành điện tích trong silic được tạo bởi điện thế lớp kép A V
a,b) Tại ranh giới dung dịch đo - lớp nhạy,
c) Giữa lóp nhạy và lớp cách điện
Độ nhạy cảm biến được tính như sau :
d( AVis) ¿/(AVis) R T

-
— = 0 4343 — — -— - = _

d(\nai) ’ d(\ogai) zF
Nguyên tắc cảm biến nêu trên chỉ dùng cho chất lỏng và chất khí. Chất lỏng dần
điện tạo điều kiện đo thuận lợi vì thành phần cần đo tự phân ly tạo nên chuồi điện phân
kín. Đe đo và khuểch đại hiệu điện thế ta thường dùng tranzito hiệu ứng trường MOS.
Cấu tạo một tranzito hiệu ứng trường ISFET như hình vẽ 6 :
16
Cực so sánh
ư r
D ung dịch
'2/ * íđiện phân
M àng nhạy
Lớp cách điện
ví
p - Si
ư
D
Hình 6: Cảm biển ỉon ISFET
Trong ISFET, cực cổng kim loại G được thay thế bởi màng nhạy ion, dung dịch
điện phân và điện cực so sánh. Chuồi điện phân kín được tạo nên bởi những thành
phần kể trên. Hiệu điện thể AVis ảnh hưởng trực tiếp đến điện dẫn điện của kênh dẫn
giữa cực nguồn s và cực thoát D. Dòng cực tụ Id là đại lượng đo. Hàm cảm biến
ISFET được xác định từ quan hệ dòng điện - hiệu điện thế của MOS-FET với cực
cổng G được cách điện. Đối với hoạt động tâm cực ƯD « (Ug - U t) ta có:
bsiƯD RT _ ỉ In
ỈD=jUn—~~— [const + ƯG

— ln (ai + Kij ai) - A Vref - —- ]
Ldi zF z
Trong vùng bão hoà ƯD » (Ug - U t) thì ngược lại:
bàƯD RT

Id = ~ [const + ƯG - —— ln (ai + Kij ai) -
Ldi zF
17
Q U Ố C GIA HÀ NỘI
TRUNG TAM THÔNG TIN THƯ VIỆN
P l /
J
: ^
ị
\
V

AVref
z_


/
\
V
A Vis
/
\
V A V’
r
/
Hình 7: Mô hình chuỗi điện phân
Trong đó:
- ƯT là hiệu điện thế giới hạn của ISFET.
- ^V ref là hiệu điện thế tại ranh giới điện môi / cực so sánh.
- ƯG là hiệu điện thế cực cổng G.

Như vậy, với hiệu điện thế ực thoát D, ƯD không đổi thì dòng thoát chỉ thay đổi theo
điện thế cực cổng G và hiệu điện thế ÀVis .
dlD= Ị J n ^ - [dƯG + d( A Vis)]
La i
Mật độ ion trong dung dịch điện môi có thể được xác định theo 3 phương pháp :
* Hiêu điên thế chắn không đổi (dƯG = 0) : dlD = Ị J b J ^ ~ d( A Vis)
Ldi
* Dòng thoát không đổi (dlD = 0) : dƯD= - d( A Vis)
* Cực cổng G với điện thế không xác định.
Phương pháp đo thuận tiện nhất là phương pháp dòng thoát không đổi vì với
phương pháp hàm đặc trưng không phụ thuộc vào tham số chi tiết (b, L, di, £ i, jLín).
Một lợi điểm nữa của phương pháp này là điện thế cực cổng G không đồi. Hiệu điện
thế cực góp c, ƯG là hiệu điện thế giữa cực so sánh và cực nguồn s. Ngược lại với
phương pháp đo hiệu điện thế, phương pháp đo dòng điện Aỉg tại hiệu điện thế cực
cổng G không đồi (ƯG = const) cần có hàm hiệu chỉnh. Hàm này phụ thuộc vào tham
18
số chi tiết cảm biến. Trong trường hợp cực cổng G với điện thế không xác định, ta bỏ
qua cực so sánh. Đại lượng đo là dòng cực thoát Id .
Hoạt động của ISFET chủ yếu phụ thuộc vào đặc điểm điện hoá của vật liệu cực
cổng G. Vật liệu thường dùng có thể sản xuất là:
Những lớp kể trên có thể nhạy hoá tuỳ theo loại ion cần đo bàng cách cấy tạp dẫn
trong khi kết tủa hay cấy ion sau khi kết tủa. Lớp vô cơ như silicat nhôm, silcat Bo hay
hữu cơ như Poly Vinyl Chliorit (PVC) cóng có thể dùng làm lớp nhạy cho ISFET.
Lớp nhạy bằng S i02 được dùng cho các loại ion khác (H \N +,K+, ). Nhược điểm
của lớp này là độ linh động cao do tạp chất (N+) gây ra. Ta cũng có thể dùng những
lớp kép như SÌ3O4/S1O2; AI2O3/S1O2; hay Ta20 5/S i0 2. Một vẩn đó còn tồn tại là cực so
sánh phải chế tạo rời.
Từ cách đo trên ta có nhiều nguyên tắc để đo độ ẩm :
- Thay đổi điện trở khi hấp thụ H20 hay hấp giải H20 những lớp cách điện như
S1O2 xốp, AI2O3 xốp trên vật liệu nền silic.

- Thay đổi điện dung giữa điện cực trên lớp cách điện (S1O2) khi phân tử nước từ
môi trường đọng trên vật liệu nền được làm lạnh.
- Thay đổi điện dung của polyme khi hấp thụ hơi nước, polyme này được dùng
làm lớp cách điện cực cổng G. Điện tích thay đổi điều biến điện dẫn điện của
kênh Tranzito hiệu ứng trường.
1.3.2 ĐO Đ ộ ẢM TRONG LỒNG ẤP
Cảm biến độ ẩm được dùng nhiều nhất trong lồng ấp là loại cảm biến thay đổi điện
dung của polyme khi hấp thụ hơi nước.
Trong lồng ấp, có một ngăn chứa nước. Đẻ điều chỉnh độ ẩm trong lồng ấp, người
ta điều chỉnh diện tích bề mặt bốc hơi nước của ngăn nước trên. Khi cần độ ẩm lớn thì
cho diện tích bề mặt bốc hơi nước lớn, còn ngược lạ i, nếu yêu cầu độ ẩm bẻ thì ta điều
chỉnh cho diện tích bề mặt bốc hơi nước bé đi.
Các mức đo của cảm biến độ ẩm được đồng bộ với diện tích bề mặt bốc hơi nước.
Vì thế khi điều chỉnh núm đặt độ ẩm cho lồng ấp thì một hệ cơ sẽ điều chỉnh diện tích
bề mặt bốc hơi nước tương ứng. Đó chính là cách đặt độ ẩm cho lồng ấp.
* S i02
* S13O4 / Si02
* a i 2o 3 / Si02
* Ta20 5 / S i0 2
1.4 MỘT SỐ LỒNG ÁP HIỆN ĐANG ĐƯỢC s ử DỤNG
Trong các bệnh viện ở nước ta hiện nay, có rất nhiều loại lồng ấp được sử dụng.
Các lồng ấp có thể là rất hiện đại như V-85, H-1000 của Nhật Bản đón loại thô sơ, có
kĩ của Italia như lồng ấp AGA Nhưng chúng đều có chung một đặc điểm là yêu cầu
độ tin cậy, độ chính xác cao. Sau đây trong khuôn khổ khoá luận tốt nghiệp này chúng
ta sẽ tìm hiểu kĩ loại lồng ấp hiện đại nhất hiện nay, đó là loại lồng ấp V-85 của Nhật
Bản. Các loại lồng ấp khác ta chỉ dừng lại ở mức giới thiệu và tham khảo các thông số
kĩ thuật mà thôi.
1.4.1 LỒNG ẤP V-85
1.4.1.1 Đăc điểm kĩ thuât
• •

> Yêu cầu về điện: Xác định theo yêu cầu
> Điều khiển nhiệt bên ngoài và trong lồng ấp: Hệ thống SC/MC
> Cài đặt nhiệt độ bên ngoài: 34,0-ỉ-38,0°C chính xác đến 0 ,r c .
> Chỉ thế nhiệt độ bên ngoài: 30,0 -T42,0°c chính xác đến 0, r c .
> Điều chỉnh nhiệt độ lồng ấp: 25,0 + 38,0°C chính xác đến 0 ,r c .
> Chỉ thế nhiệt độ lồng ấp: 20,0 4- 42,0°c chính xác đến o . r c .
> Chỉ thế về độ ẩm : ấn nút chọn
Độ ẩm 20 -T 99% chính xác đón 1 %
> Công suất lò sưởi : 0 - full, được chỉ thế bởi 12 cấp độ.
> Báo động:
* Bảo động về hiện tượng quá nhiệt độ:
Nếu giá trị hiển thị của nhiệt độ không khí lồng ấp vượt quá 39,0°c hoặc nhiệt độ
của cảm biến nhiệt vượt quá 39,5 ± 0,5°c , đèn báo quá nhiệt độ sẽ phát sáng, còi báo
động sẽ kêu và nhiệt lượng sẽ bị ngắt.
* Báo động về sự lưu thông không khí bên trong:
Nếu bất cứ trở ngại nào phát sinh trong hệ thống lưu thông không khí, đèn báo sẽ
phát sáng, còi báo động sẽ kêu và nhiệt lượng sẽ bị ngắt.
* Báo động về nhiệt độ cao thấp:
Nếu nhiệt độ không khí lồng ấp vượt quá nhiệt độ chọn trước l,5°c hoặc giảm
xuống thấp hơn nhiệt độ ban đầu 3°c, đèn báo nhiệt độ lựa chọn sẽ phát sáng và còi
báo động kêu. (Điều khiển của MC)
Neu nhiệt độ da trẻ em chênh lệch với nhiệt độ đặt trước khoảng hơn ± r c , đèn
báo nhiệt độ lựa chọn sẽ phát sáng và còi báo động kêu. (Điều khiển của SC)
20
* Bảo động về cảm biến bên trong:
Nếu có bất cứ sự cố nào phát sinh với các cảm biến về nhiệt độ không khí lồng ấp,
độ ẩm, sự quá nhiệt độ và sự lưu thông không khí bên trong, đèn báo cảm biến bên
trong sẽ phát sáng và còi báo động kêu.
* Báo động đầu đo nhiệt độ ngoài da:
Nếu có bất cứ rắc rối nào phát sinh với đầu đo nhiệt độ ngoài da, đèn báo sẽ phát

sáng, còi báo động kêu và nhiệt lượng bị ngắt.
* Báo động về sự thiếu hụt năng lượng:
Nếu sự cung cấp năng lượng bị gián đoạn vì thiếu hụt năng lượng hoặc do các
nguyên nhân khác. Đèn báo thiếu năng lượng sẽ phát sáng và còi báo động kêu.
1.4.1.2 Cấu tạo của lồng ấp V-85
Lồng ấp V-85 được tạo thành bởi 6 cảm biến để điều khiển nhiệt độ, độ ẩm, và lưu
lượng không khí tương ứng, một lò sưởi để làm ấm không khí lồng ấp, một cái quạt để
lưu thông không khí bên trong và sáu bảng PC để điều khiển và hiển thị các đặc điểm
hoặc đặc tính.
a. Chức năng của các cảm biến
- Cảm biến nhiệt độ không khí lồng ấp: Chỉ ra nhiệt độ không khí trong lồng ấp.
- Cảm biến độ ẩm tương đối: Chỉ ra nhiệt độ bị tác động bởi sự bốc hơi nước. Cảm
biến này được bao bọc bởi một tấm vải dệt ướt.
- Cảm biến về sự quá nhiệt độ: Chỉ ra sự tăng quá nhiệt độ không khí lồng ấp bằng
cách sử dụng một dòng điện độc lập.
- Cảm biến về lưu thông không khí: Chỉ ra sự thay đổi trong việc lưu thông không
khí.
- Cảm biến về nhiệt độ ngoài da: Chỉ ra nhiệt độ ngoài da trẻ sơ sinh. Cảm biến
được dán vào da trẻ sơ sinh.
b. Chức năng chủ yếu của các bo mạch
8302A: Là bo mạch chính, trang bị cho CPU, có vai trò điều khiển tất cả.
8302B : Là bo mạch ngắt, được trang bị dùng cho ngẳt hoạt động vào báo động
thiếu năng lượng.
8302G: Được trang bị một role điều khiển nhiệt lượng và một cuộn dây điện.
21
8302D: Được trang bị cho EEPROM, nơi mà dữ liệu về sự biến đổi nhiệt độ trên
da trẻ sơ sinh được lưu giữ.
8302E: Dùng đồng thời cho các việc xử lý biến đổi nhiệt độ không khí của lồng
ấp, RH và EEPROM là nơi các giá trị chuẩn hoá được lưu giừ.
FAN

Hinh 8. Sơ đồ khối của các bo mạch
c. Các bộ phận khác
Nguồn nuôi: +5V(3A), +12V(1,2A), -12V(0,3A)
Công suất lò sưởi : 260 VA (W)
Quạt : Giúp không khí lưu thông trong lồng ấp.
Bảng hiển thị LED: Hiển thị các dữ liệu điều khiển khác nhau và các trạng thái
của lồng ấp V- 85.
1.4.1.3 M iêu tả chi tiết hệ thống mạch điện
a. Điện áp vào chuẩn
Là thiết bị phải được đo nhiệt độ chính xác, được cung cấp nguồn 2,5V ± 25mV
bởi một IC được thiết kế đề truyền dẫn điện áp tương ứng có độ chính xác cao.
22
Đầu ra cân xứng với sự thay đổi nhiệt độ chỉ ra bởi cảm biến được truyền dẫn tới
CHO - 4.
II
Hình 9: Mạch dòng điện áp chuân
23
Điểm kiểm tra thử:
• a 2,5 V ± 2 5 mV
• b 0,15 V ± 5m V
Nếu dòng điện trở chính (lk + 2kQ ) được dẫn vào phần cảm biến, điện áp riêng biệt
được phân chia thành R17~ 20 hoặc R23 và R27 được truyền đến cho CHO- 4.
b. Dòng điện báo tăng quá nhiệt độ:
Sự tăng quá nhiệt độ thể hiện qua hai phương pháp sau :
❖ Khi cảm biến báo nhiệt độ không khí trong lồng ấp là 39°c hoặc cao hơn, cảm
biến nhiệt độ không khí trong lồng ấp cảnh báo rằng có sự tăng quá nhiệt độ và
làm cho chuông báo động kêu.
❖ Cảm biến báo tăng quá nhiệt độ là một bộ phận không phụ thuộc vào dòng điện
đo nhiệt độ do CPU điều khiển. Cảm biến này làm chuông báo động sự tăng
quá nhiệt độ kêu khi nhiệt độ là 39,5±0,5°c. Trong trường họp này cả báo

động nhìn thấy và nghe thấy sẽ được điều chỉnh tự động. Khi cảm biến báo
rằng nhiệt độ giảm xuống khoảng 2 -r 3°c so với mức nhiệt độ báo động.
CH 5
2.5 V
iQi
5 1'
:aì- 2
Hình 10. Mạch dòng điện bảo tăng quả nhiệt độ
24
Thông tin về nhiệt độ chứa trong cảm biến về sự tăng quá nhiệt độ sẽ được đẫn tới
CPU và CHS cùng với thông tin về điện áp. Khi cảm biến báo sự tăng quá nhiệt độ
hoạt động, rơle (K2) trên bo mạch 8302G sẽ tắt và nguồn toả nhiệt sẽ bị ngắt.
Mức báo sự tăng quá nhiệt độ được gắn vào VR1. Điều chỉnh sự tăng nhiệt cho
quá trình hoạt động.
b. M ạch chuyển đỗiAD
Uiỉ ?334
EILA
Si Li
SSI.C
106
'tt
1 Da
BCPO
íroi
ỈCO?
SCO ĩ
i.sa
USD
HSũ
106

]C«
108
134
ISÍ
106
106
0Pt>
4
LŨI
- 4
• ÍV
m
*12 ĩ. m,j
:»
ỉ*
21
2«
N
o
11
r
n
1 NPl/T
LSD
5
LOI
IHPƯT
:ìr ũ adj
10LD
: 1 t.c ÀDJ

Pà SS
U IK A.0J
CAP
c
” ]_C2S
10. iQ.p. 1<F
tsv
lí
10
tjv
:?6
ĨĨIỈ
10
pj v°
* m
II
B k
0
"nu
l
2
ã
V u
3 3
T
* ị
s
IKH
6
T

V u VII
l i
».7
z. òà V
ii ì
1:4
o< * *
- > r,
T
ỉ AI
Hình 11: Mạch điện dòng chuyển đỗiAD
Dừ liệu về nhiệt được nạp vào bởi mỗi cảm biến nhiệt được chuyển đổi bởi 8CH
(U I4) và được nạp theo dừ liệu số tới CPU với 10 bit chuyển đồi (Ư13). Điện áp tương
tự được nạp vào bởi một cảm biến sẽ thay đổi từ 0,15 + 1,15 V trong những điều kiện
bình thường. Nếu cảm biến bị ngẳt, điện áp 2,5 V sê được nạp vào hoặc nếu nỏ bị chập
25