Thiết kế, chế tạo máy ủ ẩm dịch truyền dùng cho bệnh nhân nặng

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

NGUYỄN PHƯƠNG NGỌC

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY Ủ ẤM DỊCH TRUYỀN DÙNG
CHO BỆNH NHÂN NẶNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Y sinh
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT Y SINH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

GS. TS NGUYỄN ĐỨC THUẬN

Hà Nội - 2018


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập nghiên cứu, với sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của các thầy cơ
giáo, sự động viên khích lệ của gia đình, đồng nghiệp và bạn bè cùng với sự cố gắng
của bản thân, tơi đã hồn thành đề tài luận văn “Thiết kế, chế tạo máy ủ ấm dịch truyền
dùng cho bệnh nhân nặng”.
Với tình cảm chân thành, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS TS. Nguyễn
Đức Thuận người đã hướng dẫn, giúp đỡ, chỉ bảo tôi tận tình trong suốt q trình thực
hiện đề tài.
Tơi xin chân thành cảm ơn Viện đào tạo 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 tơi
trong q trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn.

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn những ý kiến đóng góp vơ cùng q báu của
các thầy cô giáo, các đồng nghiệp, các bạn bè đã giúp đỡ tơi hồn thành đề tài luận văn.
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày …… tháng …… năm 201
Học viên

Nguyễn Phương Ngọc

1


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................ 5
DANH SÁCH HÌNH VẼ ......................................................................................
DANH SÁCH BẢNG BIỂU .................................................................................
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................... 10
1.

Lý do chọn đề tài .............................................................................. 12

2.

Mục đích nghiên cứu của luận văn ................................................. 13
a.

Yêu cầu chức năng. ........................................................................ 13

b.

Yêu cầu phi chức năng ................................................................... 13
Các phương án thực hiện ................................................................. 13

3.
a.

Phương án 1. .................................................................................. 16

b.

Phương án 2. .................................................................................. 17

c.

Lựa chọn phương án thực hiện ...................................................... 16

CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................ 18
1.1.

Thuật toán điều khiển PID .............................................................. 21

1.1.1. Giới thiệu về bộ điều khiển PID .................................................... 21
1.1.2. Khâu P ............................................................................................ 21
1.1.3

Khâu I ............................................................................................. 22

1.1.4

Khâu D ........................................................................................... 23

1.1.5

Tổng hợp 3 khâu – Bộ điều khiển PID .......................................... 24

1.1.6

Rời rạc hóa bộ điều khiển PID ....................................................... 25

1.2

Thiết kế bộ điều khiển PID .............................................................. 27

1.2.1

Sử dụng hàm quá độ của đối tượng (Ziegler – Nichols 1) ............. 29

1.2.2

Sử dụng các giá trị tới hạn từ thực nghiệm (Ziegler – Nichols 2) .30

1.3

Sơ lược về vấn đề truyền nhiệt ........................................................ 32

1.3.1

Vấn đề truyền nhiệt ........................................................................ 32

1.3.2

Tác dụng của keo tản nhiệt ............................................................ 33

1.4

Thiết bị, dụng cụ và một số tiêu chuẩn y tế.................................... 34

1.4.1

Dây truyền dịch .............................................................................. 34

1.4.2

Chai dịch truyền/túi dịch truyền .................................................... 35

1.4.3

Cách tính tốc độ truyền .................................................................. 35
2


CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
MÁY Ủ ẤM DỊCH TRUYỀN ..................................................................................... 33
2.1

Sơ đồ khối .......................................................................................... 33

2.1.1

Sơ đồ khối ...................................................................................... 33

2.1.2

Chức năng từng khối ...................................................................... 33

2.2

Giới thiệu các linh kiện và thiết bị .................................................. 33

2.2.1

Kiến trúc vi điều khiển AT89C52 .................................................. 33

2.2.2

Peltier Cooler 12706 ...................................................................... 36

2.2.3

Sử dụng tấm nhiêt nhôm .............................................................. 363

2.2.4

Nhiệt điện trở NTC ........................................................................ 44

2.2.5

Cảm biến nhiệt độ LM35 ............................................................. 365

2.2.6

Khối ADC 0809 ............................................................................. 46

2.2.7

Màn hình hiển thị LCD 16x2 ......................................................... 48

2.2.8

LM 7805 ......................................................................................... 46

2.2.9

IRFZ44N ....................................................................................... 46

2.2.10

TLP 250 ........................................................................................ 47

2.3

Các phần mềm hỗ trợ. ...................................................................... 48

2.3.1

Proteus 7.8 sp2 ............................................................................... 48

2.3.2

Orcad 9.2 ........................................................................................ 48

2.3.3

CCS 4.104 ...................................................................................... 50

2.3.4

Solidworks 2010 ............................................................................ 50

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ CHI TIẾT MÁY Ủ ẤM DỊCH TRUYỀN........... 52
3.1

Thiết kế chi tiết từng khối ................................................................ 52

3.1.1

Thiết kế khối nguồn ....................................................................... 52

3.1.2

Thiết kế khối cảm biến ................................................................... 52

3.1.3

Thiết kế khối công suất và khối gia nhiệt ...................................... 55

3.1.4

Thiết kế khối điều khiển ................................................................ 60

3.1.5

Thiết kế khối hiển thị mạch LCD 16x2 ......................................... 62

3.1.6

Sơ đồ khối tổng thể ........................................................................ 63

3.1.7

Thiết kế vỏ ..................................................................................... 63

3.1.7.1 Bản vẽ thiết kế vỏ sản phẩm .......................................................... 64
3.1.7.2 Bản vẽ chi tiết khối gia nhiệt ....................................................... 637
3


CHƯƠNG 4. CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ ............................ 69
4.1

Chế tạo mạch in và hộp máy ........................................................... 69

4.2

Thuật toán điều khiển. ..................................................................... 67

4.2.1

Lưu đồ chương trình PID: .............................................................. 67

4.2.2

Các thông số ................................................................................. 671

4.2.3

Phương pháp xác định hệ số. ......................................................... 68

4.3

Kế quả thử nghiệm ........................................................................... 69

4.3.1

Xác định Kp ........................................................................................ 69

4.3.2

Xác định Kd ........................................................................................ 74

4.3.3

Xác định Ki ........................................................................................ 77

4.3.4

Kết quả thực nghiệm nhiệt độ dịch truyền đầu ra .............................. 78

KẾT LUẬN ....................................................................................................... 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 85

PHỤ LỤC ............................................................................................................ 2

4


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.

5


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1: Mơ hình máy sưởi ấm dịch truyền ....................................................... 16
Hình 2: Máy sưởi ấm dịch truyển tốc độ cao .................................................... 17
Hình 3: Thiết bị sưởi ấm dịch truyền tốc độ thấp............................................... 18
Hình 4: Đồ thị thể hiện nhiệt độ dịch truyền tại đầu ra ...................................... 16
Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển PID............................................................ 21
Hình 1.2 Sơ đồ khối khâu P................................................................................ 22
Hình 1.3 Đáp ứng khâu P ................................................................................... 22

Hình 1.4 Đáp ứng của khâu I và PI .................................................................... 23
Hình 1.5 Đáp ứng khâu D và PD ........................................................................ 24
Hình 1.6 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID ............................................................. 24
Hình 1.7 Đáp ứng bộ PID ................................................................................... 25
Hình 1.8 Sơ đồ khối PID .................................................................................... 26
Hình 1.9 Xác định tham số cho mơ hình xấp xỉ bậc nhất có trễ a ..................... 28
Hình 1.10 Xác định tham số cho mơ hình xấp xỉ bậc nhất có trễ b……………29
Hình 1.11 Mơ hình điều khiển với Kgh ............................................................... 31
Hình 1.12 Xác định hệ số khuếch đại tới hạn………………………………….31
Hình 1.13 Tản nhiệt ........................................................................................... 32
Hình 1.14 Tản nhiệt 2 ........................................................................................ 32
Hình 1.15 Tản nhiệt 3 ......................................................................................... 32
Hình 1.16 Đối lưu nhiệt trong thùng chứa ......................................................... 33
Hình 1.17 Keo tản nhiệt ..................................................................................... 33
Hình 1.18 Tác dụng keo tản nhiệt cho làm mát ................................................. 34
Hình 1.19 Tác dụng của keo tản nhiệt làm mát CPU ......................................... 34
Hình 2.1 Sơ đồ khối thiết bị ............................................................................... 33
Hình 2.2 Vi điều khiển AT89C52 ...................................................................... 33
Hình 2.3 USB trong vi điều khiển AT89C52 ..................................................... 34
Hình 2.4 Sơ đồ chân vi điều khiển AT89C52 .................................................... 35
Hình 2.5 Cấu tạo của Peltier ............................................................................... 37
Hình 2.6 Sự truyển tải nhiệt ............................................................................... 37
Hình 2.7 Thơng số và hình ảnh của Peltier ........................................................ 38
Hình 2.8 Đặc tuyến của peltier cool TEC 12706 ............................................... 39
6


Hình 2.9 Nhiệt điện trở NTC .............................................................................. 44
Hình 2.10 Đồ thị mối quan hệ của R và R0 ........................................................ 41
Hình 2.11 IC 7805 .............................................................................................. 45

Hình 2.12 Mosfet IRFZ44N ............................................................................... 47
Hình 2.13 Màn hình hiển thị LDC 16x2 ............................................................ 47
Hình 2.14 IC 7805 .............................................................................................. 50
Hình 2.15 Mos Fet TRFZ 44N ........................................................................... 50
Hình 2.16 Thơng số và sơ đồ chân của MOSFET.............................................. 47
Hình 2.17 Sơ đồ chân của TLP250 .................................................................... 47
Hình 2.18 Giao diện chính của phần mềm ......................................................... 48
Hình 2.19 Màn hình khởi động của phần mềm Proteus ..................................... 48
Hình 2.20 Giao diện khi khởi động của orcad ................................................... 49
Hình 2.21 Giao diện Capture của Orcad ............................................................ 49
Hình 2.22 Giao diện layout của Orcad ............................................................... 50
Hình 2.23 Chọn PIC Wizard .............................................................................. 50
Hình 2.24 Giao diện khởi động của SolidWorks ............................................... 51
Hình 3.1 Mạch nguyên lý khối nguồn ............................................................... 52
Hình 3.2 Mạch nguyên lý khối cảm biến ........................................................... 53
Hình 3.3 Mạch nguyên lý khối cơng suất và khối gia nhiệt ............................... 55
Hình 3.4 Mạch nguyên lý khối vi điều khiển ..................................................... 61
Hình 3.5 Thiết kế chi tiết khối hiển thị............................................................... 62
Hình 3.6 Mạch ngun lý tổng thể ..................................................................... 63
Hình 3.7 Mơ hình thiết bị khi lắp tấm gia nhiệt ............................................... 614
Hình 3.8 Đáy vỏ ................................................................................................. 61
Hình 3.9 Nắp trên của vỏ.................................................................................... 62
Hình 3.10 Mơ hình vỏ gỗ tổng thể ..................................................................... 62
Hình 3.10 Bản vẽ chi tiết của tấm gia nhiệt bản 1 ............................................. 63
Hình 3.13 Bản vẽ chi tiết tấm gia nhiệt bản 2 .................................................... 63
Hình 3.14 Vỏ gỗ thiết bị sưởi ấm dịch truyền .................................................... 64
Hình 3.15 Tấm gia nhiệt bằng nhơm .................................................................. 64
Hình 3.16 Sản phẩm thiết bị sưởi ấm dịch truyền .............................................. 65
Hình 4.1 Sơ đồ gia cơng khối mạch ................................................................... 66
7

Hình 3.2 Mạch in thiết kên trên Orcad ............................................................... 66
Hình 3.3 Mạch được thi cơng thực tế ................................................................. 67
Hình 3.4 Lưu đồ chương trình PID .................................................................... 67
Hình 3.5 Đồ thị quá trình xác lập điều khiển PID ............................................. 68
Hình 4.6 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp =1 .............. 70
Hình 4.7 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp=2 .............. 70
Hình 4.8 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp=3 .............. 71
Hình 4.9 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp= 4 ............. 71
Hình 4.10 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp= 5 ........... 71
Hình 4.11 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp =6 ............ 72
Hình 4.12 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp=7 ............ 72
Hình 4.13 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp=8 ............ 72
Hình 4.14 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp=9 ............ 73
Hình 4.15 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Kp=10 .......... 73
Hình 4.16 Biểu đồ so sánh Kp dựa trên độ vọt lố và thời gian xác lập .............. 73
Hình 4.17 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.1 .................. 74
Hình 4.18 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.2 .................. 74
Hình 4.19 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.3 .................. 75
Hình 4.20 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.4 .................. 75
Hình 4.21 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.5 .................. 75
Hình 4.22 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.6 .................. 76
Hình 4.23 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với Kd=1 ..................... 76
Hình 4.24 Biểu đồ so sánh hệ số Kd dựa trên độ vọt lố và thời gian xác lập .... 76
Hình 4.23 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Ki= 0.1 ......... 77
Hình 4.26 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Ki= 0.2 ......... 77
Hình 4.27 Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Ki= 0.1 ......... 77
Hình 4.28 Nhiệt độ dịch truyền ra với nhiệt độ tấm gia nhiệt 370C ................... 78
Hình 4.29 Nhiệt độ dịch truyền ra với nhiệt độ tấm gia nhiệt 380C ................... 78

Hình 4.30 Nhiệt độ dịch truyền ra với nhiệt độ tấm gia nhiệt 390C .................. 79
Hình 4.31 Nhiệt độ dịch truyền ra với nhiệt độ tấm gia nhiệt 400C ................... 79
Hình 4.32 Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và tốc độ truyền .................................. 79

8


DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1. Thông số của thiết bị sưởi ấm dịch truyền ........................................... 18
Bảng 2. So sánh hai phương án ......................................................................... 17
Bảng 3. Tính tốn thơng số cho bộ điều khiển PID…………………………..29
Bảng 4. Xác định thông số bộ điều khiển PID dựa vào thực nghiệm ............... 31
Bảng 5. Bảng mô tả chức năng từng chân của vi điều khiển ............................ 40
Bảng 6. Bảng sự thật của TLP 250 .................................................................... 47
Bảng 7. Bảng căn chỉnh hệ số ........................................................................... 69

9


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hàng ngày trong bệnh viện cũng như ở các cơ sở điều trị, số lượng bệnh nhân
phải truyền dịch, truyền máu là không nhỏ. Đó thường là các bệnh nhân sau mổ, cấp
cứu hồi sức tích cực, sốt cao, suy kiệt ...và đều là các bệnh nhân nặng, sức khỏe yếu.
Các dịch truyền thường để mát cũng như máu thường để lạnh để bảo quản chất
lượng nên có nhiệt độ thấp hơn cơ thể rất nhiều. Khi truyền vào mạch máu, cơ thể phải
sinh ra một lượng nhiệt khá lớn để nâng nhiệt độ lượng dịch đó lên bằng nhiệt độ cơ
thể, do đó mất rất nhiểu năng lượng của bệnh nhân. Với những bệnh nhân thể trạng
yếu, cơ thể không đáp ứng được dễ gây hạ thân nhiệt và biến chứng nguy hiểm, nhất là

về mùa lạnh.
Để khắc phục bớt nhược điểm trên, trong thực tế điều trị thường các dịch và máu
được làm ấm trước khi truyền cho bệnh nhân bằng cách ngâm nóng hoặc ủ ấm chai
dịch, máu hoặc ngâm dây dịch đang truyền vào cốc nước nóng để làm ấm.... Tất cả các
phương pháp đó vừa rất bất tiện, lại khơng duy trì được nhiệt độ hằng định, khơng
kiểm sốt được nhiệt độ của dịch máu khi truyền vì phải thường xuyên thay cốc nước
nóng và nhiệt của nước trong cốc chủ yếu đánh giá bằng cảm tính chủ quan.
* Một số hỉnh ảnh của phương pháp thường dùng:
Ngâm trong cốc nước nóng:

10


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.
* Một số hình ảnh và thông số kỹ thuật cơ bản cuảm máy làm ấm dịch
truyền được nhập khẩu và sử dụng tại một số bệnh viện nước ta

Hình ảnh. Máy làm ấm dịch truyền và máu AM-301-5AF
ĐẶC TÍNH VÀ THƠNG SỐ KỸ THUẬT:
❖ Tính năng chung
-

Chức năng: Sử dụng để làm ấm dịch truyền và máu trong khi tiêm truyền hoặc
truyền máu
11

-

Kiểu vận hành: Vận hành liên tục

-

Cảm biến nhiệt độ: Cặp nhiệt điện

-

Hiển thị: Bằng đèn LED nhiệt độ dung dịch thực tế ở đầu ra

-

Kích thước ống (ø): từ 4.1 - 5.0 mm

-

Tốc độ dòng chảy:

-

+

Khoảng 1 - 15 ml/phút (kênh đơn)

+

Khoảng 1 - 20 ml/phút (kênh kép)

Điểm điều khiển nhiệt độ: Nhiệt độ cài đặt tùy ý khoảng 36°C/ 39°C hoặc
nhiều hơn

-

Thời gian làm ấm: khoảng 2 phút

-

Độ chính xác hiển thị: ±≤ 30C

-

Nhiệt độ cảnh báo: 42.5 °C

-

Kích thước: 265 x 110 x 55 (mm)

-

Trọng lương: 1 kg

❖ Tiêu chuẩn an toàn:
-

Tiêu chuẩn an toàn điện: I, kiểu BF

-

An toàn chống nhỏ giọt: Tiêu chuẩn IPX2

❖ Báo động:
-

Cảnh báo bằng âm thanh và hình ảnh

-

Âm thanh báo động: 58 - 68 dB

Hình ảnh . Máy sưởi ấm dịch truyền và máu ASTOTHERM PLUS
12


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 ủ 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 ủ 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 cơng nghệ chúng ta hồn tồn 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, tơi chọn đề tài: “Thiết kế, chế tạo máy ủ ấm dịch truyền dùng
cho bệnh nhân nặng” làm đề tài nghiên cứu của luận văn.
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
13


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.
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. Mơ hình máy sưởi ấm dịch truyền

Hình 2. Máy sưởi ấm dịch truyển tốc độ cao
14


• 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 thốt nhiệt.
• Sử dụng nguồn 220V/240V – 50/60Hz, dịng 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 khơng 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 ngồi của ống truyền.

Hình 3. Thiết bị sưởi ấm dịch truyền tốc độ thấp
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
15


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 thốt nhiệt ít sau khi làm ấm kích thước ống nhỏ.
• Thiết lập nhanh chóng: ống dịch truyền được lắp trực tiếp vào tấm làm ấm, có
thể sử dụng nhiều lần do chỉ cần thay ống truyền.
• Nhanh chóng khởi động: sẵn sàng sử dụng khi 2-3 phút khi khởi động máy.
• Hiệu suất an tồn: bảo vệ q nóng, điện giật và ô nhiễm.
• Thiết bị nhỏ gọn dễ sử dụng, dễ di chuyển và lắp đặt trong phịng bệnh

Hình 4: Đồ thị thể hiện nhiệt độ dịch truyền tại đầu ra
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.
i. Lựa chọn phương án thực hiện

16


Bảng 2. So sánh hai phương án
Phương án 1
Ưu điểm

Phương án 2

- Tốc độ gia nhiệt nhanh, ổn định
do tổng diện tích dây tiếp xúc
với bộ phận gia nhiệt lớn.

- Gọn nhẹ, tính cơ

động cao.
- An tồn, dễ sử dụng.

- An toàn, dễ sử dụng.
Nhược điểm

- Thiết bị nặng, cồng kềnh.

- 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 thơng 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 năng của thiết bị. Ngoài
ra, thiết bị sử dụng vi điều khiển AT89C52 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.

17

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 vịng 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.
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 cơng thức:

18

Pout = K pe(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) = KP

(Phương trình 0.2)
Nếu chỉ có khâu P thì trong
mọi trường hợp sai số tĩnh ln xuất

Hình 1.2 Sơ đồ khối khâu P

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.
1.1.3 Khâu I
Hình 1.3 Đáp ứng khâu P

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 cơng 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
19


Sơ đồ khối khâu I:

Hàm truyền: G( s) =

U ( s) K I
1
=
=
E ( s)

s Ti s

(Phương trình 0.4)

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.
Ta có thể nhận thấy là khâu I
làm cho đáp ứng của hệ thống bị

Hình 1.4 Đáp ứng của khâu I và PI

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 cơng thức:

Dout = K d

de
dt

(Phương trình 0.5)

Với:
• DOUT: ngõ ra khâu D
• KD: hệ số vi phân
• e: sai số: e = SP – PV

20


Sơ đồ khối khâu D:
Hàm truyền:
G( s) =

U ( s)
= Kd s (Phương
E ( s)

trình

0.6)
Khâu D thường đi kèm với
khâu P thành bộ PD, hoặc với PI để
thành bộ PID
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

Hình 1.5 Đáp ứng khâu D và PD

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:

de(t )
dt
(Phương trình 0.7)

u(t ) = K Pe(t ) + K I  e(t )dt + K D

Sơ đồ khối hệ thống được chỉ
ra trong hình 1.6.
Hình 1.6 Sơ đồ khối bợ điều khiển PID

21


Đáp ứng của bộ PID được chỉ ra trong hình 1.7.

Hình 1.7 Đáp ứng bợ PID
Rời rạc hóa bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển số không thể lấy mẫu liên tục theo thời gian, nó cần được rời rạc
ở một vài mức. Khi cho hệ số lấy mẫu ngắn bên trong thời gian vi phân có thể đạt
được xấp xỉ một sai phân có giới hạn và tích phân qua việc lấy tổng. Chúng ta sẽ quan
tâm mỗi dạng ở một thời điểm, và sai số được tính ở mỗi khoảng lấy mẫu:

e(n) = X (n) − Y (n)

(Phương trình 0.8)

Bộ PID rời rạc đọc sai số, tính tốn và xuất ngõ ra điều khiển theo một khoảng
thời gian xác định (không liên tục) – thời gian lấy mẫu T. Thời gian lấy mẫu cần nhỏ
hơn đơn vị thời gian của hệ thống.
Khơng giống các thuật tốn điều khiển đơn giản khác, bộ điều khiển PID có khả
năng xuất tín hiệu ngõ ra dựa trên giá trị trước đó của sai số cũng như tốc độ thay đổi
sai số. Điều này giúp cho q trình điều khiển chính xác và ổn định hơn.

22




u
1
( s ) = H ( s ) = K P 1 +
+ Td s 
s
 Ti s


(Phương trình 0.9)

Hình 1.8 Sơ đồ khối PID
Hàm chuyển đổi:
t

1
de(t ) 
u(t ) = K P  e(t ) +  e( )d + TD


Ti 0
dt 


(Phương trình 0.10)

Tính gần đúng theo cơng thức:
t

n

0

k =0

 e ( )d  T  e ( k )

(Phương trình 0.11)

de ( t ) e ( n ) − e(n − 1)

dt
T

(Phương trình 0.12)

t = nT
Với n là bước rời rạc tại t.
Kết quả thu được:

23


u ( n ) = K Pe ( n ) + K I  e ( k ) + K D ( e ( n ) − e ( n − 1) )
n

(Phương trình 0.13)

k =0

Với:

Ki =

K PT
TI

KD =

K PTd
T

1.2 Thiết kế bộ điều khiển PID
Luật điều khiển thường được chọn trên cơ sở đã xác định được mơ hình toán
học của đối tượng phải phù hợp với đối tượng cũng như thỏa mãn yêu cầu của bài toán
thiết kế.
Trong trường hợp khơng thể xác định được mơ hình tốn học của đối tượng, có
thể tìm luật điều khiển cũng như các tham số của bộ điều khiển thông qua thực
nghiệm. Ziegler và Nichols đã đưa ra phương pháp xác định thông số tối ưu của bộ

PID là dựa trên đồ thị hàm quá độ của đối tượng hoặc dựa trên các giá trị tới hạn thu
được qua thực nghiệm.
1.2.1 Sử dụng hàm quá độ của đối tượng (Ziegler – Nichols 1)
Phương pháp này cịn có tên là phương pháp thứ nhất của Ziegler – Nichols. Nó
có nhiệm vụ xác định các thông số Kp , TN , TV cho các bộ điều khiển P, PI và PID trên
cơ sở đối tượng có thể mơ tả xấp xỉ bởi hàm truyền đạt dạng:

Ke−Ti s
G (s) =
Ts + 1

(Phương trình 0.14)

Sao cho hệ thống nhanh chóng về trạng thái xác lập và độ vọt lố  max không
vượt quá một giới hạn cho phép, khoảng 40% so với h() = lim h(t ) :
t →

 max =

hmax
 40
h ()

(Phương trình 0.15)

Ba tham số Tt (thời gian trễ), K (hệ số khuếch đại) và T (hằng số thời gian qn
tính) của mơ hình xấp xỉ có thể xác định được gần đúng từ đồ thị hàm quá độ h(t) của đối
tượng. Nếu đối tượng có dạng như hình 7a mơ tả thì từ đồ thị hàm h(t) đó ta đọc ra được:
-

Tt là khoảng thời gian tín hiệu ra h(t) chưa có phản ứng ngay với tín hiệu kích
thích 1(t) tại đầu vào.
24