Thiết kế chế tạo thiết bị sưởi ấm dịch truyền ứng dụng trong y tế

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------

ĐỖ THỊ THU HẰNG

THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ SƯỞI ẤM
DỊCH TRUYỀN ỨNG DỤNG TRONG Y TẾ

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT Y SINH

HÀ NỘI - 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------

ĐỖ THỊ THU HẰNG

THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ SƯỞI ẤM
DỊCH TRUYỀN ỨNG DỤNG TRONG Y TẾ

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT Y SINH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN PHAN KIÊN

HÀ NỘI - 2015

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, những gì tôi viết trong luận văn này là do sự tìm tòi và
nghiên cứu của bản thân. Các số liệu trong luận văn là có thực, mọi kết quả nghiên
cứu cũng như ý tưởng của tác giả đều được trích dẫn nguồn gốc cụ thể, rõ ràng.
Luận văn này cho đến nay vẫn chưa được ai bảo vệ tại bất kỳ một hội
đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ nào và chưa được công bố trên bất kỳ một
phương tiện thông tin nào.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi cam đoan.
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2015
Học viên

Đỗ Thị Thu Hằng


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập nghiên cứu, với sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của các
thầy cô giáo, sự động viên khích lệ của gia đình, đồng nghiệp và bạn bè cùng
với sự cố gắng của bản thân, tác giả đã hoàn thành đề tài luận văn “Thiết kế chế
tạo thiết bị sưởi ấm dịch truyền ứng dụng trong y tế”.
Với tình cảm chân thành, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS.
Nguyễn Phan Kiên người đã hướng dẫn, giúp đỡ, chỉ bảo tác giả tận tình
trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Viện Sau đại học, Viện Điện tử viễn
thông Đại học Bách khoa Hà Nội, các thầy cô giáo đã tạo điều kiện thuận lợi,
giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, đồng nghiệp trường
Cao đẳng nghề Kỹ thuật thiết bị y tế đã tạo điều kiện, giúp đỡ, động viên tác
giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài.

Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới công ty TNHH Công
nghệ ứng dụng Bách Khoa trong suốt thời gian qua đã hỗ trợ tinh thần và vật
chất cho dự án được thực hiện thành công.
Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn những ý kiến đóng góp vô
cùng quý báu của các thầy cô giáo, các đồng nghiệp, các bạn bè, các em học
sinh đã giúp đỡ tác giả hoàn thành đề tài luận văn.
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2015
Học viên

Đỗ Thị Thu Hằng


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH SÁCH HÌNH VẼ
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
PHẦN MỞ ĐẦU .............................................................................................. 1
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT............................................................... 8
1.1. Thuật toán điều khiển PID ................................................................... 8
1.1.1. Giới thiệu về bộ điều khiển PID ....................................................... 8
1.1.2. Khâu P ............................................................................................... 9
1.1.3. Khâu I .............................................................................................. 10
1.1.4. Khâu D ............................................................................................. 11
1.1.5. Tổng hợp 3 khâu - Bộ điều khiển PID ........................................... 12
1.1.6. Rời rạc hóa bộ điều khiển PID ....................................................... 13
1.2. Thiết kế bộ điều khiển PID ................................................................. 15
1.2.1. Sử dụng hàm quá độ của đối tượng (Ziegler - Nichols 1) ............ 15

1.2.2. Sử dụng các giá trị tới hạn từ thực nghiệm (Ziegler-Nichols 2) .. 18
1.3. Sơ lược về vấn đề truyền nhiệt ........................................................... 19
1.3.1. Vấn đề truyền nhiệt ......................................................................... 19
1.3.2. Tác dụng của keo tản nhiệt............................................................. 23
1.4. Thiết bị, dụng cụ và một số tiêu chuẩn y tế ....................................... 24
1.4.1. Dây truyền dịch ............................................................................... 24
1.4.2. Chai dịch truyền/túi dịch truyền ..................................................... 24
1.4.3. Cách tính tốc độ truyền ................................................................... 24
CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ TỔNG THỂ ......................... 25
2.1. Sơ đồ khối ............................................................................................. 25


2.1.1. Sơ đồ khối ........................................................................................ 25
2.1.2. Chức năng từng khối ...................................................................... 25
2.2. Giới thiệu các linh kiện và thiết bị ..................................................... 26
2.2.1. Kiến trúc vi điều khiển PIC 18F4550............................................. 26
2.2.1.1. Giới thiệu .................................................................................... 26
2.2.2.2. Sơ đồ chân................................................................................... 28
2.2.2. Peltier Cooler 12706 ........................................................................ 32
2.2.2.1. Cấu tạo ........................................................................................ 33
2.2.2.2. Nguyên lí hoạt động .................................................................... 33
2.2.3. Nhiệt điện trở NTC .......................................................................... 36
2.2.4. LM 7805 ........................................................................................... 38
2.2.5. IRFZ44N .......................................................................................... 39
2.2.6. TLP 250............................................................................................ 40
2.3. Các phần mềm hỗ trợ .......................................................................... 41
2.3.1. Proteus 7.8 sp2 ................................................................................. 41
2.3.2. Orcad 9.2 .......................................................................................... 42
2.3.3. CCS 4.104 ........................................................................................ 43
2.3.4. CCS 104 ........................................................................................... 44

2.3.5. Solidworks 2010 ............................................................................... 45
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ CHI TIẾT ........................................................... 46
3.1. Thiết kế vỏ ............................................................................................ 46
3.1.1. Bản vẽ thiết kế vỏ sản phẩm ........................................................... 46
3.1.2. Bản vẽ chi tiết khối gia nhiệt .......................................................... 49
3.1.3. Kết quả các chi tiết thực tế .............................................................. 50
3.2. Thiết kế chi tiết từng khối ................................................................... 51
3.2.1. Khối nguồn ...................................................................................... 51
3.2.2. Khối cảm biến .................................................................................. 52


3.2.3. Khối công suất và khối gia nhiệt .................................................... 53
3.2.4. Khối điều khiển ............................................................................... 55
3.2.5. Sơ đồ nguyên lí tổng thể.................................................................. 56
3.3. Gia công khối mạch ............................................................................. 56
3.4. Thuật toán điều khiển. ........................................................................ 58
3.4.1. Lưu đồ chương trình PID ............................................................... 59
3.4.2. Các thông số .................................................................................... 59
3.4.3. Phương pháp xác định hệ số. ......................................................... 60
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ................................................ 62
4.1. Xác định Kp.......................................................................................... 62
4.2. Xác định Kd.......................................................................................... 67
4.3. Xác định Ki ........................................................................................... 71
4.4. Kết quả thực nghiệm nhiệt độ dịch truyền đầu ra ........................... 73
KẾT LUẬN .................................................................................................... 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 78
PHỤ LỤC ......................................................................................................... 2


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ADC

: Analog to Digital Converter - bộ chuyển đổi tương tự - số.

CNC

: Computerized Numerically Controlled - Máy điều khiển bằng
máy tính.

CPU

: Central Processing Unit - đơn vị xử lý trung tâm.

D

: Derivative - vi phân.

I

: Integral - tích phân.

LCD

: Liquid Crystal Display - màn hình tinh thể lỏng.

NTC

: Negative Temperature Coefficient - nhiệt điện trở nghịch.

PCB

: Printed Circuit Board - bảng mạch in.

PID

: Proportional Integral Derivative - bộ điều khiển vi tích phân tỉ
lệ.

P

: Proportional - tỉ lệ.

PWM : Pulse Width Modulation - module điều khiển độ rộng xung.
TE

: ThermoElectric.


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1. Mô hình máy sưởi ấm dịch truyền ....................................................... 3
Hình 2. Máy sưởi ấm dịch truyển tốc độ cao .................................................... 3
Hình 3. Thiết bị sưởi ấm dịch truyền tốc độ thấp ............................................. 4
Hình 4. Đồ thị thể hiện nhiệt độ dịch truyền tại đầu ra ..................................... 5
Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển PID ......................................................... 8
Hình 1.2. Sơ đồ khối khâu P ............................................................................. 9
Hình 1.3. Đáp ứng khâu P ................................................................................. 9
Hình 1.4. Đáp ứng của khâu I và P ................................................................. 10
Hình 1.5. Đáp ứng khâu D và PD ................................................................... 12
Hình 1.6. Sơ đồ khối bộ điều khiển PID ......................................................... 12
Hình 1.7. Đáp ứng bộ PID .............................................................................. 13

Hình 1.8. Sơ đồ khối PID ................................................................................ 14
Hình 1.9. Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ a ................. 16
Hình 1.10. Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ b ............... 17
Hình 1.11. Mô hình điều khiển với Kgh........................................................... 18
Hình 1.12. Xác định hệ số khuếch đại tới hạn ................................................ 19
Hình 1.13. Tản nhiệt........................................................................................ 20
Hình 1.14. Tản nhiệt 2..................................................................................... 21
Hình 1.15. Tản nhiệt 3..................................................................................... 21
Hình 1.16. Đối lưu nhiệt trong thùng chứa ..................................................... 22
Hình 1.17. Keo tản nhiệt ................................................................................. 22
Hình 1.18. Tác dụng của keo tản nhiệt làm mát CPU..................................... 23
Hình 1.19. Tác dụng keo tản nhiệt cho làm mát ............................................. 24
Hình 2.1. Sơ đồ khối thiết bị ........................................................................... 25
Hình 2.2. Vi điều khiển PIC 18F4550 ............................................................ 26


Hình 2.3. USB trong vi điều khiển PIC 18F4550 ........................................... 26
Hình 2.4. Sơ đồ chân vi điều khiển PIC18F4550 ........................................... 28
Hình 2.5. Cấu tạo của Peltier .......................................................................... 33
Hình 2.6. Sự truyển tải nhiệt ........................................................................... 34
Hình 2.7. Thông số và hình ảnh của Peltier .................................................... 35
Hình 2.8 Đặc tuyến của peltier cool TEC 12706 ............................................ 36
Hình 2.9. Nhiệt điện trở NTC ......................................................................... 37
Hình 2.10. Đồ thị mối quan hệ của R và R0 .................................................... 38
Hình 2.11. IC 7805 .......................................................................................... 38
Hình 2.12. Mosfet IRFZ44N ........................................................................... 39
Hình 2.13. Thông số và sơ đồ chân của MOSFET ......................................... 40
Hình 2.14. Sơ đồ chân của TLP250 ................................................................ 40
Hình 2.15. Màn hình khởi động của phần mềm Proteus ................................ 41
Hình 2.16. Giao diện chính của phần mềm ..................................................... 42

Hình 2.17. Giao diện khi khởi động của orcad ............................................... 43
Hình 2.18. Giao diện Capture của Orcad ........................................................ 43
Hình 2.19. Giao diện layout của Orcad ........................................................... 43
Hình 2.20. Chọn PIC Wizard .......................................................................... 43
Hình 2.21. Giao diện layout của Orcad ........................................................... 44
Hình 2.22. Chọn PIC Wizard .......................................................................... 44
Hình 2.23. Giao diện khởi động của SolidWorks ........................................... 45
Hình 3.1. Vỏ thiết bị khi chưa có tấm gia nhiệt .............................................. 46
Hình 3.2. Mô hình thiết bị khi lắp tấm gia nhiệt ............................................. 47
Hình 3.3. Đáy vỏ ............................................................................................. 47
Hình 3.4. Nắp trên của vỏ ............................................................................... 48
Hình 3.5. Mô hình vỏ gỗ tổng thể ................................................................... 48
Hình 3.6. Bản vẽ chi tiết của tấm gia nhiệt bản 1 ........................................... 49


Hình 3.7. Bản vẽ chi tiết tấm gia nhiệt bản 2 .................................................. 49
Hình 3.8. Vỏ gỗ thiết bị sưởi ấm dịch truyền.................................................. 50
Hình 3.9. Tấm gia nhiệt bằng nhôm................................................................ 50
Hình 3.10. Sản phẩm thiết bị sưởi ấm dịch truyền ......................................... 51
Hình 3.11. Mạch nguyên lý khối nguồn.......................................................... 51
Hình 3.12. Mạch nguyên lý khối cảm biến ..................................................... 52
Hình 3.13. Mạch nguyên lý khối công suất và khối gia nhiệt ........................ 53
Hình 3.14. Mạch nguyên lý khối vi điều khiển............................................... 55
Hình 3.15. Mạch nguyên lý tổng thể ............................................................... 56
Hình 3.16. Sơ đồ gia công khối mạch ............................................................. 57
Hình 3.17. Mạch in thiết kên trên Orcad......................................................... 58
Hình 3.18. Mạch được thi công thực tế........................................................... 58
Hình 3.19. Lưu đồ chương trình PID .............................................................. 59
Hình 3.20. Đồ thị quá trình xác lập điều khiển PID ....................................... 60
Hình 4.1. Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp =1 ......... 62

Hình 4.2. Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp=2 .......... 63
Hình 4.3. Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp=3 .......... 63
Hình 4.4. Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp= 4 ......... 64
Hình 4.5. Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp= 5......... 64
Hình 4.6. Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp =6.......... 65
Hình 4.7. Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp=7.......... 65
Hình 4.8. Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp=8 .......... 66
Hình 4.9. Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp=9.......... 66
Hình 4.10. Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp=10 ...... 67
Hình 4.11. Biểu đồ so sánh Kp dựa trên độ vọt lố và thời gian xác lập ......... 67
Hình 4.12. Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.1 .............. 68
Hình 4.13. Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.2 .............. 68


Hình 4.14. Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.3 .............. 69
Hình 4.15. Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.4 .............. 69
Hình 4.16. Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.5 .............. 70
Hình 4.17. Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.6 .............. 70
Hình 4.18. Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với Kd=1 ................. 71
Hình 4.19. Biểu đồ so sánh hệ số Kd dựa trên độ vọt lố và thời gian xác lập 71
Hình 4.20. Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Ki= 0.1 .... 72
Hình 4.21. Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Ki= 0.2 .... 72
Hình 4.22. Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Ki= 0.1 .... 73
Hình 4.23. Nhiệt độ dịch truyền ra với nhiệt độ tấm gia nhiệt 370C .............. 74
Hình 4.24. Nhiệt độ dịch truyền ra với nhiệt độ tấm gia nhiệt 380C .............. 74
Hình 4.25. Nhiệt độ dịch truyền ra với nhiệt độ tấm gia nhiệt 390C ............. 75
Hình 4.26. Nhiệt độ dịch truyền ra với nhiệt độ tấm gia nhiệt 400C .............. 75
Hình 4.27. Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và tốc độ truyền .............................. 76

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1. Thông số của thiết bị sưởi ấm dịch truyền .......................................... 5
Bảng 2. So sánh hai phương án ......................................................................... 6
Bảng 3. Tính toán thông số cho bộ điều khiển PID ........................................ 17
Bảng 4. Xác định thông số bộ điều khiển PID dựa vào thực nghiệm ............. 19
Bảng 5. Bảng mô tả chức năng từng chân của vi điều khiển .......................... 28
Bảng 6. Bảng sự thật của TLP 250 ................................................................. 40
Bảng 7. Bảng căn chỉnh hệ số ......................................................................... 61


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Khoa học kỹ thuật hiện đại ngày càng phát triển và có những đóng góp
to lớn vào sự thay đổi và tiến bộ của toàn xã hội. Không nằm ngoài quỹ đạo
đó, kỹ thuật y học hiện đại cũng được khoa học công nghệ hỗ trợ và mang tới
nhiều bước tiến mới có ý nghĩa to lớn giúp chẩn đoán và điều trị bệnh ngày
càng chính xác hơn và hiệu quả hơn. Tại các bệnh viện của Việt Nam hiện
nay đã có rất nhiều các máy móc thiết bị y tế hiện đại cũng đang được khai
thác và sử dụng hiệu quả. Tuy nhiên hầu hết các thiết bị này đều được nhập
khẩu với giá thành cao. Vì vậy vấn đề thiết kế chế tạo các thiết bị y tế mang
thương hiệu Việt Nam trở thành vấn đề mang tính định hướng cao cho hướng
phát triển mới của ngành Kỹ thuật y sinh Việt Nam.
Trên thực tế hàng ngày, hàng giờ do những nguyên nhân khác nhau như
bệnh lý, chấn thương, phẫu thuật,… có hàng nghìn nguời cần được truyền
dịch và truyền máu. Tuy nhiên, dịch truyền và máu truyền thường được lưu
trữ theo các tiêu chuẩn nghiêm ngặt (thường bảo quản ở nhiệt độ thấp). Nếu
các dịch truyền có nhiệt độ thấp được truyền với thể tích lớn cho bệnh nhân sẽ
dễ gây ra các hiện tượng sốc, hạ thân nhiệt có nguy cơ dẫn tới tử vong. Vì
vậy, với các ca truyền dịch thông thường vào mùa đông hoặc các ca truyền
dịch và truyền máu trong hồi sức cấp cứu thường sử dụng thiết bị sưởi ấm

dịch truyền để phòng tránh những nguy cơ đáng tiếc có thể xảy ra. Hiện tại, ở
các bệnh viện của Việt Nam, các thiết bị sưởi ấm máu và dịch truyền chủ yếu
được nhập khẩu từ nước ngoài với giá thành tương đối cao. Trong khi bằng
việc làm chủ công nghệ chúng ta hoàn toàn có thể thiết kế chế tạo ra sản
phẩm có đầy đủ chức năng tương tự như vậy mang thương hiệu Việt. Vì
những lợi ích đó, tôi chọn đề tài: “Thiết kế và chế tạo thiết bị sưởi ấm dịch
truyền ứng dụng trong y tế” làm đề tài nghiên cứu của luận văn.

1


2. Mục đích nghiên cứu của luận văn
Luận văn này tập trung nghiên cứu và chế tạo một sản phẩm thực tế có
tên là: “Thiết bị sưởi ấm dịch truyền” - đáp ứng đầy đủ các chức năng cần
thiết của tiêu chuẩn truyền dịch và máu trong y tế. Cụ thể các yêu cầu đối với
thiết bị hoàn thiện như sau:
a. Yêu cầu chức năng.
- Thiết bị có thể sưởi ấm được dịch truyền với nhiệt độ đầu vào trong

khoảng 2-> 6 0C (nhiệt độ bảo quản dịch truyền trong y tế) và nhiệt độ dịch
truyền đầu ra trước khi vào cơ thể bệnh nhân ở khoảng nhiệt độ cho phép,
khoảng 370C.
b. Yêu cầu phi chức năng

- Thiết bị chạy ổn định, độ bền cao, an toàn cho người dùng tiết kiệm
năng lượng.
- Kiểu dáng nhỏ gọn, chắc chắn, thao tác dễ dàng trong một thời gian
ngắn trong trường hợp khẩn cấp.
- Chi phí sản xuất thấp.
3. Các phương án thực hiện

Trên thực tế, dịch truyền trước khi được truyền vào cơ thể bệnh nhân sẽ
được truyền nhiệt bằng thiết bị sưởi ấm tại vị trí một đoạn dây truyền được
chế tạo bằng nhựa dẻo (PVC or EVA) dùng trong y tế. Do vật liệu chế tạo
bịch đựng máu hay dịch truyền và dây truyền không thể thay đổi được, loại
vật liệu bằng nhựa này dễ mất nhiệt vào môi trường nên phương án gia nhiệt
cho một vật liệu khác rồi truyền nhiệt gián tiếp vào máu và dịch truyền là
phương án thường được sử dụng.

2


a. Phương án 1.

Phương án này sử dụng một khối kim loại hình trụ. Khối kim loại này
sau khi được gia nhiệt sẽ quấn nhiều vòng dây truyền dịch lên khối kim loại
để truyền nhiệt gián tiếp vào dung dịch truyền hoặc máu.

Hình 1. Mô hình máy sưởi ấm dịch truyền

Hình 2. Máy sưởi ấm dịch truyển tốc độ cao

3


Mô tả:
 Nhiệt độ đặt trong khoảng 37 - 420 C.
 Có 13 rãnh có thể cho 1 hoặc 2 túi dịch truyền lắp đồng thời.
 Sử dụng 3 cảm biến hoạt động độc lập cho độ an toàn thiết bị cao.
 Cảnh báo ở nhiệt độ quá mức cao và thấp.
 Đèn led hiển thị nhiệt độ có kích thước lớn, dễ quan sát từ xa.

 Sử dụng ống cách nhiệt từ thiết bị tới bệnh nhân, giúp hạn chế thất
thoát nhiệt.
 Sử dụng nguồn 220V/240V – 50/60Hz, dòng 1.3A
 Kích thước 210x120x250mm.
 Khối lượng 2.3 kg.
 Thời gian làm ấm: xấp xỉ 40s.
Ưu điểm: tốc độ gia nhiệt nhanh, ổn định do tổng diện tích dây truyền
được tiếp xúc với khối trụ sưởi lớn.
Nhược điểm: Thiết bị nặng và cồng kềnh, chi phí cao và không thích
hợp trong một số trường hợp.
b. Phương án 2.
Đây là một thiết bị sưởi ấm dịch truyền sử dụng cho bộ buret truyền
dịch dùng một lần thay vì phải dùng một bộ buret đặc biệt cho việc sưởi ấm
khi truyền dịch. Phương thức truyền nhiệt khô được sử dụng để truyền nhiệt
từ tấm gia nhiệt vào thành ngoài của ống truyền.

Hình 3. Thiết bị sưởi ấm dịch truyền tốc độ thấp

4


Các thông số của thiết bị:
Bảng 1. Thông số của thiết bị sưởi ấm dịch truyền
Nhiệt độ hoạt động

320C - 410C

Tốc độ truyền

1-12ml/phút

Kích thước – Trọng lượng

176 (L) x 65 (W) x 36 (H) mm; 560g

Ưu điểm của thiết bị:
 Điều chỉnh tự động: nhiệt độ ấm lên tấm điều chỉnh theo nhiệt độ
mong muốn của dịch truyền.
 Thất thoát nhiệt ít sau khi làm ấm kích thước ống nhỏ.
 Thiết lập nhanh chóng: ống dịch truyền được lắp trực tiếp vào tấm gia
nhiệt, có thể sử dụng nhiều lần (chỉ cần thay bộ ống dịch truyền).
 Nhanh chóng khởi động: sẵn sàng sử dụng khi 2-3 phút khi khởi động
máy.
 Hiệu suất an toàn: bảo vệ quá nóng, điện giật và ô nhiễm.
Thiết bị nhỏ gọn dễ sử dụng, dễ di chuyển và lắp đặt trong phòng bệnh

Hình 4. Đồ thị thể hiện nhiệt độ dịch truyền tại đầu ra

5


Đồ thị trên biểu diễn nhiệt độ của dịch truyền tại đầu ra của thiết bị sưởi
ấm. Nhiệt độ phòng là 200 C. Ta thấy nhiệt độ của dịch truyền giảm xuống khi
tốc độ dịch truyền tăng lên. Nhưng với tốc độ truyền thấp vẫn đảm bảo cho
nhiệt độ đầu ra thuộc giới hạn cho phép.
Nhược điểm:
Với tốc độ truyền cao thì nhiệt độ đầu ra dịch truyền thấp.
b. Lựa chọn phương án thực hiện
Bảng 2. So sánh hai phương án
Phương án 1

Ưu điểm

Phương án 2

- - Tốc độ gia nhiệt nhanh, ổn- - Gọn nhẹ, tính cơ
định do tổng diện tích dây tiếp động cao.
xúc với bộ phận gia nhiệt lớn.
- - An toàn, dễ sử dụng.

Nhược điểm - Thiết bị nặng, cồng kềnh.

- - An toàn, dễ sử dụng.
- - Tốc độ gia nhiệt lâu
hơn.
- - Với tốc độ cao thì
nhiệt độ dịch truyền
đầu ra thấp.

Với những ưu điểm của phương án 2 so với phương án 1, luận văn đã
lựa chọn phương án này để thực hiện nghiên cứu và chế tạo một thiết bị sưởi
ấm dịch truyền có tính năng và thông số tương tự thiết bị đã nghiên cứu trong
phương án.
- Đối tượng nghiên cứu: nghiên cứu thiết kế thiết bị sưởi ấm dịch truyền
sử dụng thuật toán PID để điều khiển nhiệt độ đầu ra của dịch truyền dựa trên
một số tiêu chuẩn an toàn trong lĩnh vực y tế, đáp ứng được yêu cầu chức

6


năng của thiết bị. Ngoài ra, thiết bị sử dụng vi điều khiển PIC 18F4550 và

ứng dụng Peltier Cooler để gia nhiệt mang lại hiệu quả và tuổi thọ cao.
- Phạm vi nghiên cứu: Thiết bị được nghiên cứu, thiết kế chế tạo trong
phạm vi lab BKAT công ty TNHH Công nghệ ứng dụng Bách Khoa. Hướng
tới việc xin giấy phép để thử nghiệm thiết bị trong lâm sàng và thực hiện các
thủ tục đăng ký để cho phép lưu hành thiết bị trong thực tế khám chữa bệnh ở
Việt Nam.

7


CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương này trình bày về lý thuyết thuật toán điều khiển PID, phương
pháp xác định các tham số, cơ sở lý thuyết về phương pháp truyền nhiệt khô
và các tiêu chuẩn y tế về truyền máu.
1.1. Thuật toán điều khiển PID
1.1.1. Giới thiệu về bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID là một bộ điều khiển vòng kín được sử dụng rộng rãi
trong các lĩnh vực điện tử. Sử dụng bộ điều khiển PID để điều chỉnh sai lệch
giữa giá trị đo được của hệ thống (process variable) với giá trị đặt (setpoint)
bằng cách tính toán và điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra.
Sơ đồ một hệ thống điều khiển dùng PID

Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển PID
Một bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: P (proportional) - tạo tín hiệu
điều khiển tỉ lệ với sai lệch (error - e), I (integral) - tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ
với tích phân theo thời gian của sai lệch, và D (derivative) - tạo tín hiệu điều
khiển tỉ lệ với vi phân theo thời gian của sai lệch.

8

1.1.2. Khâu P
Khâu P tạo ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với giá trị của sai lệch. Việc này
được thực hiện bằng cách nhân sai lệch e với hằng số KP - gọi là hằng số tỉ lệ.
Khâu P được tính dựa trên công thức:
Pout  K p e(t ) (Phương trình 0.1)

Với: Pout: giá trị ngõ ra
KP: hằng số tỉ lệ
e: sai lệch: e = SP – PV
Sơ đồ khối của khâu P được chỉ ra trong hình 1.2.
Hàm truyền: Gp (s)  K P (Phương trình 0.2)

Hình 1.2. Sơ đồ khối khâu P
Nếu chỉ có khâu P thì trong mọi trường hợp sai số tĩnh luôn xuất hiện,
trừ khi giá trị đầu vào của hệ thống bằng 0 hoặc đã bằng với giá trị mong
muốn. Trong hình sau thể hiện sai số tĩnh xuất hiện khi thay đổi giá trị đặt.
Nếu giá trị khâu P quá lớn sẽ làm cho hệ thống mất ổn định.

Hình 1.3. Đáp ứng khâu P
9


1.1.3. Khâu I
Khâu I cộng thêm tổng các sai số trước đó vào giá trị điều khiển. Việc
tính tổng các sai số được thực hiện liên tục cho đến khi giá trị đạt được bằng
với giá trị đặt, và kết quả là khi hệ cân bằng thì sai số bằng 0.
Khâu I được tính theo công thức:
t

I out  Ki  e()d 

(Phương trình 0.3)

0

Với:
 IOUT: giá trị ngõ ra khâu I
 Ki: hệ số tích phân
 e: sai số: e = SP – PV
Sơ đồ khối khâu I:

Hàm truyền: G( s) 

U (s) K I
1


(Phương trình 0.4)
E ( s)
s Ti s

Khâu I thường đi kèm với khâu P, hợp thành bộ điều khiển PI. Nếu chỉ
sử dụng khâu I thì đáp ứng của hệ thống sẽ chậm và thường bị dao động.
Hình 1.4 sau chỉ ra sự khác biệt giữa khâu I và PI.

Hình 1.4. Đáp ứng của khâu I và P
10

Ta có thể nhận thấy là khâu I làm cho đáp ứng của hệ thống bị chậm đi
rất nhiều, còn khâu PI giúp triệt tiêu sai số xác lập.
1.1.4. Khâu D
Khâu D cộng thêm tốc độ thay đổi sai số vào giá trị điều khiển ở ngõ ra.
Nếu sai số thay đổi nhanh thì sẽ tạo ra thành phần cộng thêm vào giá trị điều
khiển. Điều này cải thiện đáp ứng của hệ thống, giúp trạng thái của hệ thống
thay đổi nhanh chóng và mau chóng đạt được giá trị mong muốn.
Khâu D được tính theo công thức:
de
dt

(Phương trình 0.5)

U (s)
 Kd s
E ( s)

(Phương trình 0.6)

Dout  K d

Với:
 Dout: ngõ ra khâu D
 Kd: hệ số vi phân
 e: sai số: e = SP – PV

Sơ đồ khối khâu D:
Hàm truyền:
G(s) 

Khâu D thường đi kèm với khâu P thành bộ PD, hoặc với PI để thành
bộ PID

11


Hình 1.5. Đáp ứng khâu D và PD
Theo hình trên, bộ PD tạo đáp ứng có thời gian tăng trưởng nhỏ hơn so
với bộ P. Nếu giá trị D quá lớn sẽ làm cho hệ thống không ổn định.
1.1.5. Tổng hợp 3 khâu - Bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID là cấu trúc ghép song song giữa 3 khâu P, I và D.
Phương trình vi phân của bộ PID lý tưởng:
u (t )  K P e(t )  K I  e(t )dt  K D

de(t )
dt

(Phương trình 0.7)

Sơ đồ khối hệ thống được chỉ ra trong hình 1.6.

Hình 1.6. Sơ đồ khối bộ điều khiển PID

12