Thiết kế chế tạo mạch điều khiển tủ sấy
- 83 trang
- file .pdf
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGUYỄN VÂN KHOA
NGUYỄN VÂN KHOA
THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỦ SẤY
KỸ THUẬT Y SINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT Y SINH
2014
Hà Nội – Năm 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
Nguyễn Vân Khoa
THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỦ SẤY
Chuyên ngành : Kỹ thuật Y sinh
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT Y SINH
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. Nguyễn Phan Kiên
Hà Nội – Năm 2017
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự
hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Phan Kiên. Các nội dung nghiên cứu, kết quả
trong luận văn này là trung thực. Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho
việc phân tích, nhận xét, đánh giá được thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ
trong phần tài liệu tham khảo.
Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu
của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc
rõ ràng.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về
nội dung luận văn của mình.
Hà Nội, ngày 01 tháng 03 năm 2017
Nguyễn Vân Khoa
i
LỜI NÓI ĐẦU
Như chúng ta đã biết, trong bệnh viện, không phải các bác sỹ, y tá có tay nghề
cao là có thể đảm bảo việc khám, chữa bệnh cho bệnh nhân, rất nhiều loại vật tư
tiêu hao cùng các trang thiết bị y tế đóng góp đắc lực cho công tác khám và chữa
bệnh, trong đó có tủ sấy. Đặc biệt trong nhiều năm gần đây, khi đời sống của xã hội
ngày càng được nâng cao, việc chú trọng tới đảm bảo an toàn vệ sinh, chống nhiễm
khuẩn trong bệnh viện ngày càng được quan tâm, các tủ sấy trở nên hữu ích hơn và
phổ thông hơn, hầu hết các khoa cận lâm sàng và các khoa lâm sàng trong bệnh viện
đều có ít nhất một chiếc tủ sấy tại đơn vị của mình để phục vụ công tác chống
nhiễm khuẩn.
Trên thị trường nước ta hiện nay có rất nhiều chủng loại tủ sấy, đa dạng về dung
tích, công suất cũng như xuất xứ. Có thể kể một vài thương hiệu lớn đang cung ứng
tủ sấy ở Việt Nam như GALY, ALP, LENTON, MEMMERT, SELLAB, MMM…
Tuy nhiên, đặc điểm của các tủ sấy là nhiệt độ hoạt động cao( từ 110oC tới
300oC) và hoạt động trong thời gian dài liên tục, có như vậy mới đảm bảo tiệt trùng
cho các thiết bị, các dụng cụ sử dụng cho bệnh nhân. Do vậy mà các tủ sấy tiệt
trùng sau một thời gian hoạt động sẽ dễ bị hư hỏng. Một trong những hư hỏng
thường gặp chính là cháy bo mạch điều khiển trung tâm, việc đặt hàng bo mạch của
các hãng sản xuất ở ngoài nước tốn kém và mất thời gian. Vì vậy, tôi đã chọn đề tài:
“ Thiết kế chế tạo mạch điều khiển tủ sấy”, với mục đích thiết kế ra một bo mạch
có thể thay thế mạch điều khiển trung tâm của các tủ sấy của các hãng, để có thể thể
tiết kiệm được chi phí mà vẫn đảm bảo chất lượng cũng như tính năng sử dụng của
thiết bị và đặc biệt sẽ rất dễ dàng sửa chữa khi bảng mạch bị hỏng trong quá trình sử
dụng.
Trong thời gian vừa qua, nhờ sự chỉ bảo và hướng dẫn của thầy TS. Nguyễn
Phan Kiên, cùng với sự cộng tác, giúp đỡ của các cán bộ, nhân viên Khoa Trang bị,
Khoa Vi sinh Bệnh viện Quân Y 103 đã giúp tôi hoàn thành đề tài này. Tôi xin gửi
lời cảm ơn tới các thầy cô và các bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ trong quá trình
thực hiện và hy vọng nhận được góp ý nhiều hơn để sản phẩm này có thể ngày càng
hoàn thiện hơn.
ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Khi đời sống của người dân ngày càng cao, các kỹ thuật sử dụng trong y tế ngày
càng phát triển, công tác an toàn sinh học, tiệt trùng, chống nhiễm khuẩn trong các
phòng khám, bệnh viện ngày càng được chú trọng. Các loại tủ ấm, tủ sấy ngày càng
thể hiện rõ vai trò đắc lực trong công tác đảm bảo chất lượng chống nhiễm khuẩn.
Tủ ấm, tủ sấy được sử dụng với mục đích tái sử dụng một vài vật tư tiêu hao, tiệt
khuẩn các dụng cụ y tế, tiệt khuẩn các mẫu bệnh phẩm do cấy vi sinh và tiệt khuẩn
các dụng cụ đinh nẹp vít trước khi can thiệp vào bệnh nhân. Ngày càng có nhiều
loại tủ ấm, tủ sấy với đa dạng về dung tích, công suất cũng như xuất xứ để các
phòng khám, bệnh viện lựa chọn, phục vụ tích cực cho việc đảm bảo công tác
khám, chữa bệnh cho người bệnh.
Công suất của tủ sấy được thể hiện qua các thanh kháng đốt nhiệt, nhiệt độ suy
trì trong tủ sấy trong giải từ 110oC cho tới 300 oC tùy thuộc vào dụng cụ cần hấp
sấy. Nhiệt độ trong tủ được ổn định bằng quạt đảo gió đặt phía trong tủ, quạt này sẽ
giúp cho nhiệt độ tại mọi vị trí trong tủ có giá trị đồng đều nhau. Việc giám sát nhiệt
độ được thực hiện bởi một cảm biến nhiệt, ngoài ra còn có các cảm biến an toàn
điện như công tắc cửa, cắt nhiệt cưỡng bức và công tắc tắt khẩn cấp khi nhiệt độ
trong tủ tăng không kiểm soát được. Hoạt động của toàn hệ thống sấy được điều
khiển bởi một bảng mạch điều khiển trung tâm, chịu trách nhiệm điều khiển và
giám sát tủ trong quá trình làm việc. Yêu cầu của thiết kế là phải đảm bảo kết nối
một cách linh hoạt tới các bộ phận chính của tủ sấy, có màn hình theo dõi nhiệt độ
thực tế trong tủ và có cảnh báo khi bắt đầu hoặc kết thúc phiên làm việc, cũng như
khi có sự cố không mong muốn trong quá trình tủ làm việc.
Sau 5 tháng nghiên cứu, chế tạo và thử nghiệm tôi đã chế tạo thành công mạch
điều khiển dùng cho tủ sấy. Người sử dụng có thể dễ dàng kết nối, cài đặt nhiệt độ
và thời gian sấy, dễ dàng quan sát được nhiệt độ hiện tại trong tủ và dễ dàng nhận
biết khi kết thúc quá trình sấy, sản phẩn được thử nghiệm tại Khoa Trang bị, Khoa
Vi sinh - Bệnh viện Quân y 103 và nhận được nhiều phản hồi tích cực.
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................................... i
TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................................................... iii
MỤC LỤC......................................................................................................................................... iv
CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN .......................................................................... vi
CÁC BẢNG BIỂU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN ................................................................... viii
CÁC TỪ NGỮ VIẾT TẮT DUNG TRONG LUẬN VĂN .............................................................. ix
PHẦN MỞ ĐẦU ................................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1. TÔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI.......................................................................................... 2
1.1. Giới thiệu yêu cầu bài toán................................................................................................. 2
1.2. Yêu cầu thiết kế của sản phẩm ........................................................................................... 3
1.3. Tổng quan về một số tủ sấy trong bệnh viện ...................................................................... 5
1.3.1. Tủ sấy phổ dụng Memert (UN/UF) ............................................................................ 5
1.3.2. Tủ sấy phổ dụng France Etuves ................................................................................. 7
1.3.3. Tủ sấy tiệt trùng của Viettronics Medda .................................................................... 8
1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ........................................................................ 9
1.5. Kết luận chương ............................................................................................................... 11
CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT CƠ SỞ................................................................................................. 12
2.1. Lý thuyết về vi sinh vật ......................................................................................................... 12
2.1.1 Khái niệm về vi sinh vật .................................................................................................. 12
2.1.2. Các loại vi sinh vật ......................................................................................................... 12
2.1.3. Tác động của yếu tố nhiệt độ lên vi sinh vật .................................................................. 15
2.2. Lý thuyết về ngắt trong VĐK ................................................................................................ 16
2.2.1 Lý thuyết về ngắt ............................................................................................................. 16
2.2.2. Ngắt ngoài ...................................................................................................................... 19
2.3. Lý thuyết về Timer/Couter trong VĐK ................................................................................. 21
2.3.1. Timer/Counter 0 ............................................................................................................. 22
2.3.2. Timer/Counter 1 ............................................................................................................. 24
2.3.3. Timer/Counter2 .............................................................................................................. 27
2.4. Kết luận chương .................................................................................................................... 28
CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ......................................................................................... 29
3.1. Nguyên lý hoạt động của tủ sấy ............................................................................................ 29
3.1.1. Cấu tạo của tủ sấy........................................................................................................... 29
3.1.2. Nguyên lý hoạt đọng của tủ sấy ..................................................................................... 30
iv
3.2. Phân tích sản phẩm................................................................................................................ 31
3.2.1. Khối cảm biến ................................................................................................................ 33
3.2.2. Khối cài đặt .................................................................................................................... 37
3.2.3. Khối hiển thị ................................................................................................................... 39
3.2.4. Khối điều khiển .............................................................................................................. 43
3.2.5. Khối xử lý....................................................................................................................... 45
3.2.6. Khối nguồn cấp .............................................................................................................. 50
3.3 Kết luận chương ..................................................................................................................... 52
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ VÀ THỰC NGHIỆM SẢN PHẨM ....................................................... 53
4.1. Thiết kế sản phẩm ................................................................................................................. 53
4.1.1. Khối cảm biến ................................................................................................................ 53
4.1.2. Khối cài đặt .................................................................................................................... 56
4.1.3. Khối hiển thị ................................................................................................................... 57
4.1.4. Khối điều khiển .............................................................................................................. 58
4.1.5. Khối nguồn ..................................................................................................................... 61
4.1.6 Sản phẩm mạch hoàn tất.................................................................................................. 61
4.2. Thực nghiệm ......................................................................................................................... 64
4.2.1 Kiểm thử sản phẩm ......................................................................................................... 64
4.2.2. Chạy thực nghiệm sản phẩm .......................................................................................... 67
KẾT LUẬN ...................................................................................................................................... 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................................ 71
v
CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
Hình 1. 1. Tủ sấy phổ dụng Memert ..................................................................... 5
Hình 1. 2. Tủ sấy phổ dụng France Etuves ........................................................... 7
Hình 1. 3. Phím điều khiển của tủ sấy France etuves ........................................... 8
Hình 1. 4. Tủ sấy Viettronics Medda .................................................................... 8
Hình 2. 1. Cấu tạo của vi khuẩn .......................................................................... 13
Hình 2. 2. Cấu trúc không gian của một loại virus ............................................. 14
Hình 2. 3. Hoạt động của ngắt [4] ....................................................................... 17
Hình 2. 4. Cấu trúc thanh ghi MCUCR [2] ......................................................... 20
Hình 2. 5. Cấu trúc thanh ghi GICR[2] ............................................................... 21
Hình 2. 6. Cấu trúc thanh ghi GIFR[2] ............................................................... 21
Hình 2. 7. Cấu trúc thanh ghi TCCR0[2] ............................................................ 23
Hình 2. 8. Cấu trúc thanh ghi TIMSK [2] ........................................................... 23
Hình 2. 9. Cấu trúc thanh ghi TCNT1 ................................................................ 24
Hình 2. 10. Cấu trúc thanh ghi TCCR1[2] .......................................................... 25
Hình 2. 11. Cấu trúc của thanh ghi OCR1 .......................................................... 26
Hình 2. 12. Cấu trúc thanh ghi TIMSK .............................................................. 26
Hình 2. 13. Cấu trúc thanh ghi TIFR [2]............................................................. 27
Hình 2. 14. Cấu trúc thanh ghi TCCR2 .............................................................. 27
Hình 2. 15. Cấu trúc thanh ghi TIMSK .............................................................. 28
Hình 3. 1. Cấu tạo của tủ sấy thông thường[5] ................................................... 29
Hình 3. 2. Quy trình làm việc cơ bản của tủ sấy ................................................. 30
Hình 3. 3. Nguyên lý hoạt động cơ bản của tủ sấy[5] ........................................ 31
Hình 3. 4. Sơ đồ khối tổng quát của mạch điều khiển ........................................ 32
Hình 3. 5. Nguyên lý hoạt động của khối cảm biến............................................ 33
Hình 3. 6. Cấu tạo cảm biến cặp nhiệt độ ........................................................... 33
Hình 3. 7. Cấu tạo cảm biến bán dẫn .................................................................. 34
Hình 3. 8. Cảm biến Thermistor ......................................................................... 35
Hình 3. 9. Cấu tạo của loại cảm biến RTD ......................................................... 36
Hình 3.10. Sơ đồ nguyên lý các phím điều khiển ............................................... 37
Hình 3.11. Nguyên lý hoạt động của phím bấm ................................................. 38
Hình 3.12. Các xung dội phím bấm .................................................................... 38
Hình 3. 13. Cấu tạo của LED 7 thanh [6] ........................................................... 39
Hình 3. 15. Nguyên lý hoạt động của LED 7 thanh............................................ 39
Hình 3. 14. Hình ảnh của LED 7 thanh............................................................... 40
Hình 3. 16. Hình ảnh thực tế của LCD [6].......................................................... 40
Hình 3. 17. Các mắc mạch nguyên lý của LCD 16x2 [4] ................................... 41
vi
Hình 3. 18. Lưu đồ thuật toán điều khiển bộ gia nhiệt ....................................... 43
Hình 3. 19. Cấu tạo Relay ................................................................................... 44
Hình 3. 20. Nguyên tắc hoạt động của Relay ..................................................... 44
Hình 3. 21. Sơ đồ hoạt động của khối xử lý ....................................................... 45
Hình 3. 22. Hình ảnh thực tế của VDK atmega16 .............................................. 46
Hình 3. 23. Sơ đồ chân cho VDK atmega16[2] .................................................. 47
Hình 3. 24. Sơ đồ khối chức năng của vi điều khiển atmega16[2] ..................... 48
Hình 3. 25. Vi điều khiển 16F877A .................................................................... 50
Hình 3. 26. Nguồn xung 15V/1A ........................................................................ 51
Hình 3. 27. Sơ đồ khối nguồn cấp....................................................................... 51
Hình 4. 1. Mạch nguyên lý của khối cảm biến. .................................................. 53
Hình 4. 2. Hình ảnh thực tế của linh kiện LM334 .............................................. 54
Hình 4. 3. Sơ đồ khối của LM334[8] .................................................................. 54
Hình 4. 4. Sơ đồ cách mắc LM334 [8]................................................................ 55
Hình 4. 5. Sơ đồ khuếch đại thuận ...................................................................... 55
Hình 4. 6. Sơ đồ cách mắc của ICL 7660 ........................................................... 56
Hình 4. 7. Thiết kế của khối cài đặt .................................................................... 56
Hình 4. 8. Mạch nguyên lý của khối hiển thị ...................................................... 57
Hình 4. 9. Mạch nguyên lý khối điều khiển........................................................ 58
Hình 4. 10. Cấu tạo của ULN2003[10] ............................................................... 59
Hình 4. 11. Cấu tạo OPTO .................................................................................. 60
Hình 4. 12. Sơ đồ khối nguồn cho mạch điều khiển ........................................... 61
Hình 4. 13. Sơ đồ mạch nguyên lý cho tủ sấy .................................................... 61
Hình 4. 14. Sơ đồ layout cho mạch điều khiển ................................................... 62
Hình 4. 15. Hình ảnh sản phẩm mạch thật sau khi đã hoàn thiện ....................... 63
Hình 4. 16. Thiết bị Themor manager HDT-1 .................................................... 64
Hình 4. 17. Kiểm thử cho thiết bị ....................................................................... 65
Hình 4. 18. Kết quả trên sản phẩm...................................................................... 65
Hình 4. 19. Kết quả thu được trên thiết bị HDT-1 Themor Manager ................ 66
Hình 4. 20. Tủ ấm Hengz sản phẩm chạy thử. .................................................... 67
Hình 4. 21. Cảm biến của mạch sau khi thay cảm biến ban đầu của tủ sấy. ...... 68
Hình 4. 22. Mạch điều khiển sau khi kết nối hoàn chỉnh với tủ sấy ................... 68
vii
CÁC BẢNG BIỂU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
Bảng 1. 1. Bảng các yêu cầu chức năng của tủ sấy .............................................. 4
Bảng 2. 1. Các phương pháp khử trùng nhiệt độ cao.......................................... 16
Bảng 2. 2. Bảng thứ tự ưu tiên của các vecto ngăt ............................................. 18
Bảng 2. 3. Bảng vecto ngắt dùng trong CodeVision AVR ................................. 19
Bảng 2. 4. Bảng điều khiển của MCUCR ........................................................... 20
Bảng 2. 5. Chức năng các bit CS0x .................................................................... 23
Bảng 2. 6. Chức năng các bit CS1x .................................................................... 25
Bảng 2. 7. Chức năng các bit CS2x .................................................................... 27
Bảng 3. 1. Bảng so sánh đặc điểm các loại cảm biến ......................................... 36
Bảng 3. 2. Chức năng của các nút bấm trong bộ cài đặt ..................................... 39
Bảng 3. 3. Bảng chân chức năng của LCD ......................................................... 41
Bảng 3. 4. Đặc điểm các loại hiển thị ................................................................. 42
Bảng 3. 5. Bảng chức của các bộ điêu khiển ...................................................... 43
Bảng 4. 1. Bảng thông số kỹ thuật của LM334 .................................................. 55
Bảng 4. 2. Thông số kỹ thuật ULN2003 [10] ..................................................... 59
Bảng 4. 3. Bảng dữ liệu kiểm chuẩn ................................................................... 66
viii
CÁC TỪ NGỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
STT TÊN VIẾT TẮT TÊN ĐẦY ĐỦ
1 VĐK VI ĐIỀU KHIỂN
2 PIC Programmable Intelligent Computer
3 AVR Advanced Virtual RISC
4 ADC Analog digital convert
5 V Volt
6 A Ampe
7 C Celsius
8 CPU Central Processing Unit
9 PWM Pulse-width modulation
10 ADC Analog digital convert
11 UART Universal Asinchonus Receiver Transmitter
12 SPI Serial Peripheral Interface
13 I/O Inpu/output
14 ALU Arithmetic and logic unit
15 RAM Random Access Memory
16 DRAM Dynamic RAM
17 ROM Read-only memory
18 EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only
Memory
19 R Resistor
20 RTD Regional Transportation District
21 JTAG Joint Test Action Group
22 R/W Read/Write
23 RS Register Select
24 EN Enable
25 ms Mili second
26 W Watt
27 PCB Printed circuit board
28 I2C Inter-Intergrated Circuit
ix
29 NTC National Telecommunications Conference
30 LCD Liquid Crystal Display
31 ASCII American Standard Code for Information
Interchange
32 LED Light Emitting Diode
33 VCC Voltage Controlled Clock
34 GND Ground
35 PD1 PortD 1
36 MHZ Megahertz
37 K Kilo
38 IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
39 ADN Axit Deoxiribo Nucleic
40 ARN Axit ribonucleic
41 GIFR General Interrupt Flag Register
42 MCUCR MCU Control Register
43 GICR General Interrupt Control Register
44 NO Nomal open
45 NC Normal close
46 C Common
47 TIMSK Timer/Counter Interrupt Mask Register
48 TCNT Timer/Counter Register
50 PID Proportional Integral Derivative
x
PHẦN MỞ ĐẦU
Luận văn có nhiệm vụ thiết kế, chế tạo ra bo mạch điều khiển chính của tủ sấy, để
duy trì nhiệt độ trong tủ luôn ổn định trong khoảng nhiệt độ người dùng đã cài đặt,
thường là từ 110oC cho tới 300oC, nhiệt độ dao động cho phép là 2oC. Hiển thị nhiệt
độ thực tại trong tủ sấy bằng màn hình hiển thị và dễ dàng chuyển qua hiển thị nhiệt
độ đã cài đặt. Dễ dàng cài đặt nhiệt độ cũng như thời gian sấy và dễ dàng bật tắt tủ sấy
khi sử dụng. Ngoài ra, bảng điều khiển còn có khả năng thông báo khi kết thúc quá
trình sấy tiệt khuẩn, cảnh báo khi có sự cố quá nhiệt, hay cảnh báo khi có sự cố thiếu
nhiệt.
Hiện nay, các tủ sấy đang sử dụng ngoài thị trường đều có phương pháp tăng nhiệt
bằng cách sử dụng các kháng đốt, tùy dung tích tủ mà công suất của kháng đốt khác
nhau, thường sử dụng là các kháng đốt 2KW, 3KW. Nhiệt độ này được giám sát thông
qua các cảm biến nhiệt đặt phía bên trong tủ. Ngoài ra mạch còn có hệ thống báo động
khi tủ gặp phải các sự cố, bộ phận xả khí khi quá trình làm việc hoàn tất, bo mạch điều
khiển luận văn đang thiết kế dựa trên các phản hồi của các cảm biến nhiệt, của các
cảnh báo mà điều khiển kháng đốt, duy trì nhiệt độ trong tủ ổn định theo nhiệt độ và
thời gian đã được người sử dụng cài đặt. Dựa trên các yêu cầu trên, luận văn của tôi sẽ
được trình bày theo các phần sau:
Chương 1: Đặt vấn đề. Phần này giới thiệu về yêu cầu của bài toán đã đặt
ra, giới thiệu các tủ sấy tiệt khuẩn hiện đang có trên thị trường Việt Nam.
Chương 2: Lý thuyết cơ sở. Chương này sẽ đưa ra các lý thuyết liên quan
đến tủ sấy, các lý thuyết về vi sinh và ảnh hưởng của chúng tại nhiệt độ cao,
lý thuyết về ngắt và timer của vi điều khiển trong lập trình bộ đếm thời gian
để đặt thời gian cho tủ sấy.
Chương 3: Phân tích hệ thống. Chương này đưa ra sơ đồ khối chi tiết cho
mạch điều khiển của tủ sấy, lựa chọn loại linh kiện….
Chương 4: Thiết kế và thực nghiệm. Đưa ra thiết kế chi tiết và sản phẩm
hoàn thiện và kết quả chạy kiểm thử..
1
CHƯƠNG 1. TÔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Chương này sẽ giới thiệu về yêu cầu bài toán, tổng quan các tủ sấy hiện nay trên
thị trường, yêu cầu thiết kế và tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước.
1.1. Giới thiệu yêu cầu bài toán
Việc đưa các thiết bị công nghệ vào hỗ trợ trong quá trình khám chữa bệnh và
phục vụ tại các bệnh viện ở nước ta hiện nay là vấn đề vô cùng cần thiết. Với tình hình
điều kiện nước ta trong các năm gần đây đã có nhiều chuyển biến tích cực cụ thể là:
GDP năm 2015 đạt 6,68%, là mức tăng cao nhất trong 5 năm qua (năm 2011 tăng
6,24%; năm 2012 tăng 5,52%; năm 2013 tăng 5,42% và năm 2014 tăng 5,98%). Bình
quân 5 năm 2011-2015 tăng 5,9%/năm. GDP/người năm 2015 đạt 2.228 USD.
Chỉ số sản xuất công nghiệp (IIP) tăng 10% (năm 2014 tăng 5,8%); tổng mức bán
lẻ hàng hóa và doanh thu dịch vụ, nếu trừ yếu tố giá, tăng 8,7% (cùng kỳ năm trước
tăng 5,7%); chỉ số CPI cả năm ước chỉ tăng khoảng 1% so với tháng 12-2014, là mức
thấp nhất trong 10 năm qua; xuất khẩu tăng 10%, nếu tính cả giai đoạn 2011-2015 tăng
bình quân 18%/năm; nhập siêu đã giảm, xuống còn 3,6% kim ngạch xuất khẩu.[1]
Tình hình kinh tế đã ngày được cải thiện hơn, kéo theo điều kiện sống của nhân
dân ngày càng được nâng cao. Việc tăng cường đầu tư vào lĩnh vực y tế ngày càng
được quan tâm và chú trọng hơn. Việc trang bị thêm các thiết bị công nghệ vào trong
việc khám chữa bệnh sẽ làm cho hiệu quả của công tác khám chữa bệnh tăng lên đáng
kể chữa trị được bệnh trước chưa chữa được, giúp giảm thời gian khám chữa bệnh cho
người bệnh, giúp làm giảm chi phí thực hiện. Ta thấy, hiệu quả từ việc đầu tư nâng
cấp, cải thiện trang thiết bị y tế hiện nay là nhìn thấy rõ lợi ích của nó. Nhưng thực tế
nước ta còn gặp nhiều khó khăn, nhiều vấn đề chưa được giải quyết, nguồn ngân sách
hàng năm nhà nước cung câp để cải thiện trang thiết bị y tế hiện tại chưa thể đáp ứng
đầy đủ nhu cầu thực tế hiện nay tại các bệnh viện. Để có thể giải quyết vấn đề này thì
việc sử dụng hiệu quả các trang thiết bị sẵn có hiện nay là vô cùng cần thiết. Việc cải
tiến nâng, sửa chữa lại các thiết bị sử dụng cũng như việc giữ gìn bảo quản sử dụng tốt
các thiết bị đó cũng là giải pháp tốt để có thể sử dụng hiệu quả mà không phải đầu tư
mua mới sản phẩm thiết bị này.
Tủ sấy một trong những thiết bị được sử dụng phổ biến trong các bện viện tại nước
ta hiện nay. Thiết bị này được sử dụng trong hầu hết các khoa phòng tại bệnh viện. Nó
có tác dụng sấy khô hoặc tiệt trùng các thiết bị, dụng cụ hay các vật tư can thiệp vào
con người. Có nhiều phương pháp tiệt trùng khác nhau như hấp tiệt trùng, tiệt trùng
bằng tia UV và tiệt trùng bằng phương pháp sấy, đối với ứng dụng tiệt trùng dụng cụ y
tế thì tủ sấy cần phải có nhiệt độ sấy tối đa lên đến 300oC và cần có quạt lùa gió nằm
bên trong tủ để duy trì nhiệt độ đồng đều trong tủ, bên cạnh đó để giữ vai trò làm mát
bộ điều khiển thì cần có thêm quạt làm mát bộ điều khiển. Thường thì sau mỗi lần sử
dụng các dụng cụ phòng thí nghiệm, người ta phải rửa và sấy khô để tiếp tục sử dụng
2
lần sau, nhưng nếu để khô tự nhiên thì tốn thời gian rất lâu cho nên người ta có thể cho
tất cả vào tủ sấy và tiến hành sấy trong thời gian ngắn là có thể sấy khô dụng cụ phòng
thí nghiệm để sử dụng cho lần sau.
Tủ sấy phải làm việc trong môi trương có nhiệt độ cao trong thời gian dài, công
với việc điều kiện khí hậu nước ta nồm ẩm nên làm cho các thiết bị tủ sấy thường hay
hỏng hóc các bo mạch làm tủ không hoạt động được gây ra đình trệ trong công tác.
Việc sửa chữa các tủ này tốn khá nhiều chi phí cả thời gian và tiền bạc. Chính từ các lý
do đó tôi đã đề xuất ý tưởng thiết kế mạch điều khiển cho tủ sấy để có thể đảm bảo tủ
sấy có thể hoạt động vận hành ổn định, chi phí hợp lý, sản phẩm dễ sử dụng, dễ dàng
thay thế linh kiện và sửa chữa khi gặp sự cố.
Các tủ sấy dùng trong các bệnh viện hiện nay có nguyên lý chung dùng điều khiển
giữ nhiệt độ ổn định trong khoảng 110oC - 300oC, trong khoảng thời gian nhất định do
người dùng điều chỉnh sao cho phù hợp với thiết bị, dụng cụ, sản phẩm cần sấy. Ngoài
ra thiết bị còn có các bộ báo động khi tủ sấy gặp phải các sự cố khi sử dụng.
1.2. Yêu cầu thiết kế của sản phẩm
Sau khi tìm hiểu về các loại tủ sấy qua thực tế trong bệnh viện 103 cũng như tìm
hiểu cụ thể chi tiết tài liều kỹ thuật của các nhà sản xuất, tôi xin đưa ra yêu cầu thiết kế
về sản phẩm như sau:
Bộ đo và giám sát nhiệt độ
Mạch điều khiển sẽ đo và điều khiển nhiệt độ theo thông số chính qua một cảm
biến nhiệt độ đặt bên trong tủ sấy tại vị trí thích hợp tùy các cách bố trí của nhà sản
xuất theo từng các hãng khác nhau. Để có thể đảm bảo đo được nhiệt độ trung bình
của tủ sấy. Nhiệt độ cần đo được của cảm biến từ 0 – 300oC, độ sai lệch không quá
2%, độ phân giải 1oC.
Bộ đo và đếm thời gian
Bộ đo và đếm thời gian sẽ là bộ đếm thời gian làm việc của tủ sấy. Bộ đếm thời
gian này sẽ sử dụng bộ timer/counter bên trong VĐK được dùng để đo đếm thời gian
cho mạch điều khiển của tủ sấy. Giá trị thời gian đếm của tủ trong khoảng vài giờ
đồng hồ. Độ chính xác bộ đếm thời gian là 1s. Đếm thời gian bắt đầu đếm khi tủ bắt
đầu được hoạt động.
Điều khiển nhiệt độ cho tủ
Mạch điều khiển sẽ dựa vào thông số đo được của nhiệt độ bên trong tủ và thời
gian sấy của tủ. Bộ gia nhệt sẽ được điều khiển hoạt động khi nhiệt độ bên trong tủ
nhỏ hơn dải nhiệt độ cài đặt và trong khoảng thời gian sấy. Bộ gia nhiệt được điều
khiển ngắt hoạt động khi nhiệt độ bên trong tủ lớn hơn nhiệt độ cài đặt hoặc thời gian
3
hoạt động của tủ lớn hơn so với thời gian cài đặt ban đầu. Dải nhiệt độ làm việc có độ
rộng khoảng 50C.
Phím bấm và hiển thị
Mạch điều khiển có màn hình hiển thị bằng LCD 16x2. Hiện thị được các giá trị
nhiệt độ hiện tại bên trong tủ, thời gian đã hoạt động của tủ. Các giá trị cài đặt của tủ là
thời gian cài đặt gồm có số ngày, số giờ, số phút và nhiệt độ cài của tủ. Độ phân giải
thời gian là 1s, độ phân giải nhiệt độ là 10C.
Mạch điều khiển có các nút điều khiển là MODE, UP, DOWN, START, STOP.
+ MODE: dùng để chọn giá trị cài đặt cho tủ là nhiệt độ và thời gian
+ UP: là phím điều khiển để tăng các giá trị cài đặt
+ DOWN: là phím điều khiển dùng để giảm các giá trị cài đặt
+ START: là phím điều khiển dùng để khởi động tủ sấy
+ STOP: là phím điều khiển dùng để dừng quá trình hoạt động của tủ.
Cảnh báo
Hệ thống có chức năng cảnh báo bằng còi và đèn. Hệ thống đưa ra cảnh báo khi tủ
sấy gặp phải các sự cố như hiện tượng quá nhiệt hay hiệt tượng thiếu nhiệt. Báo động
cho người dùng biết để tìm cách khắc phục và sửa chữa
Yêu cầu khác
. Ngoài ra thiết kế hệ thống cần ổn định và nội địa hóa, linh kiện dễ dàng tìm kiếm
và thay thế khi gặp sự cố.
Bảng 1. 1. Bảng các yêu cầu chức năng của tủ sấy
Yêu cầu chức năng
Đo và giám sát nhiệt độ tủ trong khoảng từ 0 đến 3000C, Dải hoạt
1
động của nhiệt độ tủ khoảng 50C trong khoảng nhiệt độ cài
Màn hình LCD hiển thị giúp người sử dụng theo dõi được thống số
2 hoạt động của tủ sấy hiển thị thời gian sấy và nhiệt độ hiện tại khi đang
sấy và hiển thị được các trạng thái hoạt động của tủ
Có các phím điều khiển để người dùng có thể cài đặt thời gian và
3 nhiệt độ sấy của tủ để có thể phù hợp với từng loại dụng cụ và vật liệu
cần sấy.
Điều khiển các bộ gia nhiệt sao cho nhiệt độ của buồng sấy luôn ổn
4
định tại giá trị cài đặt
4
Yêu cầu chức năng
Có hệ thống điều khiển quạt đảo nhiệt để nhiệt bộ có thể phân bố đều
5
trong tủ
Có hệ thống cảnh báo, báo động khi tủ gặp phải sự cố để người dùng
6
biết.
Yêu cầu phi chức năng
1 Phù hợp với nhiệt độ và độ ẩm trong phòng
2 Thiết kế nhỏ gọn, đơn giản, giá thành hợp lý
3 Hoạt động phải có độ chính xác và độ ổn định cao
Nội địa hóa, linh kiện dễ dàng tìm kiếm và thay thế khi gặp các sự cố
4
hỏng hóc
1.3. Tổng quan về một số tủ sấy trong bệnh viện
Trên các bệnh viện hiện nay thì sử dụng rất nhiều các sản phẩm tủ sấy với rất nhiều
các loại mẫu mã và chủng loại đa dạng. Có một số hãng nước ngoài nổi tiếng về các
loại tủ sấy như Memmert của Đức, France Etuves của Pháp, Lenton của Anh, ngoài ra
có khá nhiều hãng có xuất xứ từ Trung Quốc và một số hãng trong nước. Đặc điểm sản
phẩm của các hãng nổi tiếng nước ngoài có chất lượng và mẫu mã tốt, có nhiều tính
năng nổi bật và đảm bảo an toàn ổn định, đạt các chứng chỉ chất lượng có uy tín như
CE, ISO… nhưng đổi lại thì chúng lại có giá thành khá cao. Một số sản phẩm có xuất
xứ từ Trung Quốc có đặc điểm nổi bật
giá thành tốt hơn nhiều các sản phẩm
nổi tiếng, có nhiều tính năng tốt nhưng
chất lượng và đảm bảo an toàn thì
không được như các hãng uy tín trên.
Dưới đây là một số sản phẩm tủ sấy
hay được dùng trong bệnh viện:
1.3.1. Tủ sấy phổ dụng
Memert (UN/UF)
Các ứng dụng của tủ sấy
Trong nghành công nghiệp dược
phẩm, công nghiệp thực phẩm mà còn
trong công nghệ môi trường để xác
Hình 1. 1. Tủ sấy phổ dụng Memert
định hàm lượng khô và ẩm bằng việc
sử dụng thiết bị cân.
5
Sấy khô các bộ phận trong điện tử, khử khí trong nhựa epoxy.
Chuẩn bị mẫu trong lĩnh vực nghiên cứu.
Trong công nghiệp cho việc lão hóa nhựa.
Làm ấm các chăn trong bệnh viện, các dung dịch rửa . .
Thông số kỹ thuật
Thể tích: 32 lít.
Kích thước trong: rộng 400 x cao 320 x sâu 250mm( nhỏ hơn 39 mm dành cho
quạt).
Kích thước ngoài: rộng 585 x cao 704 x sâu 434mm.
Số khay cung cấp: 01
Khoảng nhiệt độ hoạt động: +100C trên nhiệt độ môi trường đến 3000C
Đối lưu không khí bằng quạt gió, bước điều chỉnh 10%.
Bộ điều khiển bằng vi xử lý PID đa chức năng với màn hình hiển thị màu bằng
cảm ứng điện dung (TFT)
Bảng điều khiển nhiệt độ ControlCOCKPIT điều khiển các thông số: nhiệt độ
( C hoặc 0F), vị trí cửa đối lưu khí, chương trình thời gian
0
Sử dụng đầu dò nhiệt độ Pt100 DIN Class A
Điều chỉnh hỗn hợp không khí tiền gia nhiệt bằng cách điều chỉnh nắp lấy khí
10%
Tự chẩn đoán để phân tích lỗi
Cổng kết nối qua mạng Ethernet
Chức năng bảo vệ quá nhiệt: kiểm soát quá nhiệt bằng điện tử và bộ giới hạn
nhiệt độ dạng cơ TB, cấp bảo vệ class 1 theo tiêu chuẩn DIN 12 880 tự ngắt khi nhiệt
độ vượt quá khoảng 200C trên nhiệt độ cài đặt
Cấu trúc lớp vỏ bằng thép không gỉ, chống trầy, cứng và bền, phía sau bằng
thép mạ kẽm.
Bộ nhớ trong có khả năng lưu trữ ít nhất 10 năm
Cài đặt ngôn ngữ trên bảng điều khiển ControlCOCKPIT: Đức, Anh, Pháp, Tây
Ban Nha
Chế độ hoạt động: chạy liên tục và chạy theo thời gian từ 1 phút đến 99 ngày
Chức năng setpointWAIT đảm bảo chương trình thời gian không được bắt đầu
cho đến khi đạt đến nhiệt độ cài đặt tại tất cả các điểm đo.
Báo alarm bằng hình ảnh
Khả năng hiệu chuẩn trực tiếp trên bảng điều khiển ControlCOCKPIT cho 3 giá
trị nhiệt độ lựa chọn tự do
Chương trình được lưu trữ trong trường hợp mất điện
Bao gồm giấy chứng nhận hiệu chuẩn tại 1600C
Đạt 100% độ an toàn cho không khí (100% AtmoSAFE)
Nguồn điện: 230V ± 10%, 50/60Hz, 1600W
6
Ta thấy tủ sấy loại này, hoạt động khá tốt, khả năng cách nhệt của tủ rất tốt vỏ
ngoài tủ khi làm việc nhiệt không cao quá 40oC, tủ có thể sinh nhiệt ra đều toàn tủ với
hệ thống thanh gia nhiệt được được bố trí quanh 4 mặt tủ, dải nhiệt độ làm việc khá
rộng từ 10 – 3000C. Tủ được điều khiển bởi bộ điều khiển PID với cảm biến PT100,
hình thức tủ trông đẹp, sử dụng quạt đối lưu để nhiệt có thể phân bố đều hơn, chế độ
cài đạt điều chỉnh khá dễ dàng và thuận tiện, tủ sấy có chế độ bảo vệ quá nhiệt tự ngắt
khi nhiệt quá cao so với nhiệt cài đặt, có khả năng lưu chương trình làm việc khi đột
ngột mất điện.
1.3.2. Tủ sấy phổ dụng
France Etuves
Các ứng dụng của tủ sấy
Sấy tiệt trùng các dung cụ y
tế
Chúng rấ t thích hơ ̣p cho
nhiề u ứng du ̣ng như sấ y nhe ̣ các
sản phẩ m mỏng manh dễ vỡ, xử lý
nhiê ̣t các vâ ̣t liê ̣u bi ̣ oxy hóa, sấ y
tố c đô ̣ các loại bô ̣t và ha ̣t, dùng cho
trong phòng thí nghiêm và cả trong
công nghiê ̣p hóa chấ t, thực phẩ m
nông nghiê ̣p, điê ̣n tử, nhựa, mỹ Hình 1. 2. Tủ sấy phổ dụng France Etuves
phẩ m và ngành dươ ̣c ho ̣c .
Thông số kỹ thuật:
Dải nhiệt độ hoạt động : 20 – 3000C
Bên ngoài bằng thép sơn tĩnh điện, bên trong thép không gỉ dễ làm sạch nhờ các
góc tròn.
Đối lưu bằng quạt, đảm bảo độ đồng nhất cao.
Tốc độ gia nhiệt nhanh : 80C/ pht
Độ đồng nhất : +/- 1,20C tại 1050C
Độ chính xác : < +/-0.20C
Điều khiển bằng kỷ thuật số PID, hệ C3000.Thời gian làm việc được cài đặt tự
động từ : 0 – 99h59min.
Thời gian cài đặt độ trễ : 1 – 99h59min
Tốc độ đối lưu khí : 400M3/giờ
Cung cấp kèm theo hai khay bằng thép không rỉ
Nguồn điện : 220/240V – 50/60Hz
7
Hình 1. 3. Phím điều khiển của tủ sấy France etuves
Ta thấy lọai tủ sấy, hoạt động với dải nhiệt khá rộng tử 10 – 3000C, tủ sấy cũng
dùng hệ thống đôi lưu có sử dụng quạt, tốc độ quạt có thể điều chỉnh, tủ có dùng bộ
điều khiển C3000 với cảm biến PT100 rất chính xác, có đèn sáng phía bên trong tủ. Tủ
có hệ thống bảo vệ khi quá nhiệt, được làm bằng thép tấm phủ bằng sơn màu trắng và
màu xanh đẹp.Bên trong bằng thép không rỉ. Các bức tường và cánh cửa được cách
điện với len thủy tinh cách nhiệt hiệu quả, đảm bảo nhiệt độ thấp tại bề mặt và ổn định.
1.3.3. Tủ sấy tiệt trùng của Viettronics
Medda
Ứng dung của loại tủ sấy này :
Dùng tiệt trùng các dụng cụ y tế
Làm khô dụng cụ y tế
Thông số kỹ thuật:
Công suất lớn nhất 1.4 KW, công suất
trung bình 0.9 KW
Buồng sấy được cấu tạo bằng Inox SUS
304. Được giữ nhiệt bằng lớp bông khoáng
dầy.Có quạt đảo nhiệt
Nguồn cấp 1 pha 220V AC, 50-60 Hz Hình 1. 4. Tủ sấy Viettronics Medda
Tủ sấy đối lưu cưỡng bức, dòng khí được
điều chỉnh liên tục bằng hệ thống quạt khuấy chuyên dụng
Điều khiển bằng bộ vi xử lý trung tâm, phương thức điều khiển P.I.D.
Dải nhiệt độ sấy 20 – 3000C
Có các chế độ làm việc; hẹn giờ cho thiết bị hoạt động, chế độ gia nhiệt làm
nóng để sấy, chế độ giữ nhiệt độ khi nhiệt độ đạt đến giá trị cài đặt, chế độ làm mát khi
nhệt độ trong buồng <= 800C
Có cửa thông khí để thoát hơi ẩm từ buồng sấy.
8
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGUYỄN VÂN KHOA
NGUYỄN VÂN KHOA
THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỦ SẤY
KỸ THUẬT Y SINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT Y SINH
2014
Hà Nội – Năm 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
Nguyễn Vân Khoa
THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỦ SẤY
Chuyên ngành : Kỹ thuật Y sinh
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT Y SINH
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. Nguyễn Phan Kiên
Hà Nội – Năm 2017
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự
hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Phan Kiên. Các nội dung nghiên cứu, kết quả
trong luận văn này là trung thực. Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho
việc phân tích, nhận xét, đánh giá được thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ
trong phần tài liệu tham khảo.
Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu
của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc
rõ ràng.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về
nội dung luận văn của mình.
Hà Nội, ngày 01 tháng 03 năm 2017
Nguyễn Vân Khoa
i
LỜI NÓI ĐẦU
Như chúng ta đã biết, trong bệnh viện, không phải các bác sỹ, y tá có tay nghề
cao là có thể đảm bảo việc khám, chữa bệnh cho bệnh nhân, rất nhiều loại vật tư
tiêu hao cùng các trang thiết bị y tế đóng góp đắc lực cho công tác khám và chữa
bệnh, trong đó có tủ sấy. Đặc biệt trong nhiều năm gần đây, khi đời sống của xã hội
ngày càng được nâng cao, việc chú trọng tới đảm bảo an toàn vệ sinh, chống nhiễm
khuẩn trong bệnh viện ngày càng được quan tâm, các tủ sấy trở nên hữu ích hơn và
phổ thông hơn, hầu hết các khoa cận lâm sàng và các khoa lâm sàng trong bệnh viện
đều có ít nhất một chiếc tủ sấy tại đơn vị của mình để phục vụ công tác chống
nhiễm khuẩn.
Trên thị trường nước ta hiện nay có rất nhiều chủng loại tủ sấy, đa dạng về dung
tích, công suất cũng như xuất xứ. Có thể kể một vài thương hiệu lớn đang cung ứng
tủ sấy ở Việt Nam như GALY, ALP, LENTON, MEMMERT, SELLAB, MMM…
Tuy nhiên, đặc điểm của các tủ sấy là nhiệt độ hoạt động cao( từ 110oC tới
300oC) và hoạt động trong thời gian dài liên tục, có như vậy mới đảm bảo tiệt trùng
cho các thiết bị, các dụng cụ sử dụng cho bệnh nhân. Do vậy mà các tủ sấy tiệt
trùng sau một thời gian hoạt động sẽ dễ bị hư hỏng. Một trong những hư hỏng
thường gặp chính là cháy bo mạch điều khiển trung tâm, việc đặt hàng bo mạch của
các hãng sản xuất ở ngoài nước tốn kém và mất thời gian. Vì vậy, tôi đã chọn đề tài:
“ Thiết kế chế tạo mạch điều khiển tủ sấy”, với mục đích thiết kế ra một bo mạch
có thể thay thế mạch điều khiển trung tâm của các tủ sấy của các hãng, để có thể thể
tiết kiệm được chi phí mà vẫn đảm bảo chất lượng cũng như tính năng sử dụng của
thiết bị và đặc biệt sẽ rất dễ dàng sửa chữa khi bảng mạch bị hỏng trong quá trình sử
dụng.
Trong thời gian vừa qua, nhờ sự chỉ bảo và hướng dẫn của thầy TS. Nguyễn
Phan Kiên, cùng với sự cộng tác, giúp đỡ của các cán bộ, nhân viên Khoa Trang bị,
Khoa Vi sinh Bệnh viện Quân Y 103 đã giúp tôi hoàn thành đề tài này. Tôi xin gửi
lời cảm ơn tới các thầy cô và các bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ trong quá trình
thực hiện và hy vọng nhận được góp ý nhiều hơn để sản phẩm này có thể ngày càng
hoàn thiện hơn.
ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Khi đời sống của người dân ngày càng cao, các kỹ thuật sử dụng trong y tế ngày
càng phát triển, công tác an toàn sinh học, tiệt trùng, chống nhiễm khuẩn trong các
phòng khám, bệnh viện ngày càng được chú trọng. Các loại tủ ấm, tủ sấy ngày càng
thể hiện rõ vai trò đắc lực trong công tác đảm bảo chất lượng chống nhiễm khuẩn.
Tủ ấm, tủ sấy được sử dụng với mục đích tái sử dụng một vài vật tư tiêu hao, tiệt
khuẩn các dụng cụ y tế, tiệt khuẩn các mẫu bệnh phẩm do cấy vi sinh và tiệt khuẩn
các dụng cụ đinh nẹp vít trước khi can thiệp vào bệnh nhân. Ngày càng có nhiều
loại tủ ấm, tủ sấy với đa dạng về dung tích, công suất cũng như xuất xứ để các
phòng khám, bệnh viện lựa chọn, phục vụ tích cực cho việc đảm bảo công tác
khám, chữa bệnh cho người bệnh.
Công suất của tủ sấy được thể hiện qua các thanh kháng đốt nhiệt, nhiệt độ suy
trì trong tủ sấy trong giải từ 110oC cho tới 300 oC tùy thuộc vào dụng cụ cần hấp
sấy. Nhiệt độ trong tủ được ổn định bằng quạt đảo gió đặt phía trong tủ, quạt này sẽ
giúp cho nhiệt độ tại mọi vị trí trong tủ có giá trị đồng đều nhau. Việc giám sát nhiệt
độ được thực hiện bởi một cảm biến nhiệt, ngoài ra còn có các cảm biến an toàn
điện như công tắc cửa, cắt nhiệt cưỡng bức và công tắc tắt khẩn cấp khi nhiệt độ
trong tủ tăng không kiểm soát được. Hoạt động của toàn hệ thống sấy được điều
khiển bởi một bảng mạch điều khiển trung tâm, chịu trách nhiệm điều khiển và
giám sát tủ trong quá trình làm việc. Yêu cầu của thiết kế là phải đảm bảo kết nối
một cách linh hoạt tới các bộ phận chính của tủ sấy, có màn hình theo dõi nhiệt độ
thực tế trong tủ và có cảnh báo khi bắt đầu hoặc kết thúc phiên làm việc, cũng như
khi có sự cố không mong muốn trong quá trình tủ làm việc.
Sau 5 tháng nghiên cứu, chế tạo và thử nghiệm tôi đã chế tạo thành công mạch
điều khiển dùng cho tủ sấy. Người sử dụng có thể dễ dàng kết nối, cài đặt nhiệt độ
và thời gian sấy, dễ dàng quan sát được nhiệt độ hiện tại trong tủ và dễ dàng nhận
biết khi kết thúc quá trình sấy, sản phẩn được thử nghiệm tại Khoa Trang bị, Khoa
Vi sinh - Bệnh viện Quân y 103 và nhận được nhiều phản hồi tích cực.
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................................... i
TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................................................... iii
MỤC LỤC......................................................................................................................................... iv
CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN .......................................................................... vi
CÁC BẢNG BIỂU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN ................................................................... viii
CÁC TỪ NGỮ VIẾT TẮT DUNG TRONG LUẬN VĂN .............................................................. ix
PHẦN MỞ ĐẦU ................................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1. TÔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI.......................................................................................... 2
1.1. Giới thiệu yêu cầu bài toán................................................................................................. 2
1.2. Yêu cầu thiết kế của sản phẩm ........................................................................................... 3
1.3. Tổng quan về một số tủ sấy trong bệnh viện ...................................................................... 5
1.3.1. Tủ sấy phổ dụng Memert (UN/UF) ............................................................................ 5
1.3.2. Tủ sấy phổ dụng France Etuves ................................................................................. 7
1.3.3. Tủ sấy tiệt trùng của Viettronics Medda .................................................................... 8
1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ........................................................................ 9
1.5. Kết luận chương ............................................................................................................... 11
CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT CƠ SỞ................................................................................................. 12
2.1. Lý thuyết về vi sinh vật ......................................................................................................... 12
2.1.1 Khái niệm về vi sinh vật .................................................................................................. 12
2.1.2. Các loại vi sinh vật ......................................................................................................... 12
2.1.3. Tác động của yếu tố nhiệt độ lên vi sinh vật .................................................................. 15
2.2. Lý thuyết về ngắt trong VĐK ................................................................................................ 16
2.2.1 Lý thuyết về ngắt ............................................................................................................. 16
2.2.2. Ngắt ngoài ...................................................................................................................... 19
2.3. Lý thuyết về Timer/Couter trong VĐK ................................................................................. 21
2.3.1. Timer/Counter 0 ............................................................................................................. 22
2.3.2. Timer/Counter 1 ............................................................................................................. 24
2.3.3. Timer/Counter2 .............................................................................................................. 27
2.4. Kết luận chương .................................................................................................................... 28
CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ......................................................................................... 29
3.1. Nguyên lý hoạt động của tủ sấy ............................................................................................ 29
3.1.1. Cấu tạo của tủ sấy........................................................................................................... 29
3.1.2. Nguyên lý hoạt đọng của tủ sấy ..................................................................................... 30
iv
3.2. Phân tích sản phẩm................................................................................................................ 31
3.2.1. Khối cảm biến ................................................................................................................ 33
3.2.2. Khối cài đặt .................................................................................................................... 37
3.2.3. Khối hiển thị ................................................................................................................... 39
3.2.4. Khối điều khiển .............................................................................................................. 43
3.2.5. Khối xử lý....................................................................................................................... 45
3.2.6. Khối nguồn cấp .............................................................................................................. 50
3.3 Kết luận chương ..................................................................................................................... 52
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ VÀ THỰC NGHIỆM SẢN PHẨM ....................................................... 53
4.1. Thiết kế sản phẩm ................................................................................................................. 53
4.1.1. Khối cảm biến ................................................................................................................ 53
4.1.2. Khối cài đặt .................................................................................................................... 56
4.1.3. Khối hiển thị ................................................................................................................... 57
4.1.4. Khối điều khiển .............................................................................................................. 58
4.1.5. Khối nguồn ..................................................................................................................... 61
4.1.6 Sản phẩm mạch hoàn tất.................................................................................................. 61
4.2. Thực nghiệm ......................................................................................................................... 64
4.2.1 Kiểm thử sản phẩm ......................................................................................................... 64
4.2.2. Chạy thực nghiệm sản phẩm .......................................................................................... 67
KẾT LUẬN ...................................................................................................................................... 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................................ 71
v
CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
Hình 1. 1. Tủ sấy phổ dụng Memert ..................................................................... 5
Hình 1. 2. Tủ sấy phổ dụng France Etuves ........................................................... 7
Hình 1. 3. Phím điều khiển của tủ sấy France etuves ........................................... 8
Hình 1. 4. Tủ sấy Viettronics Medda .................................................................... 8
Hình 2. 1. Cấu tạo của vi khuẩn .......................................................................... 13
Hình 2. 2. Cấu trúc không gian của một loại virus ............................................. 14
Hình 2. 3. Hoạt động của ngắt [4] ....................................................................... 17
Hình 2. 4. Cấu trúc thanh ghi MCUCR [2] ......................................................... 20
Hình 2. 5. Cấu trúc thanh ghi GICR[2] ............................................................... 21
Hình 2. 6. Cấu trúc thanh ghi GIFR[2] ............................................................... 21
Hình 2. 7. Cấu trúc thanh ghi TCCR0[2] ............................................................ 23
Hình 2. 8. Cấu trúc thanh ghi TIMSK [2] ........................................................... 23
Hình 2. 9. Cấu trúc thanh ghi TCNT1 ................................................................ 24
Hình 2. 10. Cấu trúc thanh ghi TCCR1[2] .......................................................... 25
Hình 2. 11. Cấu trúc của thanh ghi OCR1 .......................................................... 26
Hình 2. 12. Cấu trúc thanh ghi TIMSK .............................................................. 26
Hình 2. 13. Cấu trúc thanh ghi TIFR [2]............................................................. 27
Hình 2. 14. Cấu trúc thanh ghi TCCR2 .............................................................. 27
Hình 2. 15. Cấu trúc thanh ghi TIMSK .............................................................. 28
Hình 3. 1. Cấu tạo của tủ sấy thông thường[5] ................................................... 29
Hình 3. 2. Quy trình làm việc cơ bản của tủ sấy ................................................. 30
Hình 3. 3. Nguyên lý hoạt động cơ bản của tủ sấy[5] ........................................ 31
Hình 3. 4. Sơ đồ khối tổng quát của mạch điều khiển ........................................ 32
Hình 3. 5. Nguyên lý hoạt động của khối cảm biến............................................ 33
Hình 3. 6. Cấu tạo cảm biến cặp nhiệt độ ........................................................... 33
Hình 3. 7. Cấu tạo cảm biến bán dẫn .................................................................. 34
Hình 3. 8. Cảm biến Thermistor ......................................................................... 35
Hình 3. 9. Cấu tạo của loại cảm biến RTD ......................................................... 36
Hình 3.10. Sơ đồ nguyên lý các phím điều khiển ............................................... 37
Hình 3.11. Nguyên lý hoạt động của phím bấm ................................................. 38
Hình 3.12. Các xung dội phím bấm .................................................................... 38
Hình 3. 13. Cấu tạo của LED 7 thanh [6] ........................................................... 39
Hình 3. 15. Nguyên lý hoạt động của LED 7 thanh............................................ 39
Hình 3. 14. Hình ảnh của LED 7 thanh............................................................... 40
Hình 3. 16. Hình ảnh thực tế của LCD [6].......................................................... 40
Hình 3. 17. Các mắc mạch nguyên lý của LCD 16x2 [4] ................................... 41
vi
Hình 3. 18. Lưu đồ thuật toán điều khiển bộ gia nhiệt ....................................... 43
Hình 3. 19. Cấu tạo Relay ................................................................................... 44
Hình 3. 20. Nguyên tắc hoạt động của Relay ..................................................... 44
Hình 3. 21. Sơ đồ hoạt động của khối xử lý ....................................................... 45
Hình 3. 22. Hình ảnh thực tế của VDK atmega16 .............................................. 46
Hình 3. 23. Sơ đồ chân cho VDK atmega16[2] .................................................. 47
Hình 3. 24. Sơ đồ khối chức năng của vi điều khiển atmega16[2] ..................... 48
Hình 3. 25. Vi điều khiển 16F877A .................................................................... 50
Hình 3. 26. Nguồn xung 15V/1A ........................................................................ 51
Hình 3. 27. Sơ đồ khối nguồn cấp....................................................................... 51
Hình 4. 1. Mạch nguyên lý của khối cảm biến. .................................................. 53
Hình 4. 2. Hình ảnh thực tế của linh kiện LM334 .............................................. 54
Hình 4. 3. Sơ đồ khối của LM334[8] .................................................................. 54
Hình 4. 4. Sơ đồ cách mắc LM334 [8]................................................................ 55
Hình 4. 5. Sơ đồ khuếch đại thuận ...................................................................... 55
Hình 4. 6. Sơ đồ cách mắc của ICL 7660 ........................................................... 56
Hình 4. 7. Thiết kế của khối cài đặt .................................................................... 56
Hình 4. 8. Mạch nguyên lý của khối hiển thị ...................................................... 57
Hình 4. 9. Mạch nguyên lý khối điều khiển........................................................ 58
Hình 4. 10. Cấu tạo của ULN2003[10] ............................................................... 59
Hình 4. 11. Cấu tạo OPTO .................................................................................. 60
Hình 4. 12. Sơ đồ khối nguồn cho mạch điều khiển ........................................... 61
Hình 4. 13. Sơ đồ mạch nguyên lý cho tủ sấy .................................................... 61
Hình 4. 14. Sơ đồ layout cho mạch điều khiển ................................................... 62
Hình 4. 15. Hình ảnh sản phẩm mạch thật sau khi đã hoàn thiện ....................... 63
Hình 4. 16. Thiết bị Themor manager HDT-1 .................................................... 64
Hình 4. 17. Kiểm thử cho thiết bị ....................................................................... 65
Hình 4. 18. Kết quả trên sản phẩm...................................................................... 65
Hình 4. 19. Kết quả thu được trên thiết bị HDT-1 Themor Manager ................ 66
Hình 4. 20. Tủ ấm Hengz sản phẩm chạy thử. .................................................... 67
Hình 4. 21. Cảm biến của mạch sau khi thay cảm biến ban đầu của tủ sấy. ...... 68
Hình 4. 22. Mạch điều khiển sau khi kết nối hoàn chỉnh với tủ sấy ................... 68
vii
CÁC BẢNG BIỂU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
Bảng 1. 1. Bảng các yêu cầu chức năng của tủ sấy .............................................. 4
Bảng 2. 1. Các phương pháp khử trùng nhiệt độ cao.......................................... 16
Bảng 2. 2. Bảng thứ tự ưu tiên của các vecto ngăt ............................................. 18
Bảng 2. 3. Bảng vecto ngắt dùng trong CodeVision AVR ................................. 19
Bảng 2. 4. Bảng điều khiển của MCUCR ........................................................... 20
Bảng 2. 5. Chức năng các bit CS0x .................................................................... 23
Bảng 2. 6. Chức năng các bit CS1x .................................................................... 25
Bảng 2. 7. Chức năng các bit CS2x .................................................................... 27
Bảng 3. 1. Bảng so sánh đặc điểm các loại cảm biến ......................................... 36
Bảng 3. 2. Chức năng của các nút bấm trong bộ cài đặt ..................................... 39
Bảng 3. 3. Bảng chân chức năng của LCD ......................................................... 41
Bảng 3. 4. Đặc điểm các loại hiển thị ................................................................. 42
Bảng 3. 5. Bảng chức của các bộ điêu khiển ...................................................... 43
Bảng 4. 1. Bảng thông số kỹ thuật của LM334 .................................................. 55
Bảng 4. 2. Thông số kỹ thuật ULN2003 [10] ..................................................... 59
Bảng 4. 3. Bảng dữ liệu kiểm chuẩn ................................................................... 66
viii
CÁC TỪ NGỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
STT TÊN VIẾT TẮT TÊN ĐẦY ĐỦ
1 VĐK VI ĐIỀU KHIỂN
2 PIC Programmable Intelligent Computer
3 AVR Advanced Virtual RISC
4 ADC Analog digital convert
5 V Volt
6 A Ampe
7 C Celsius
8 CPU Central Processing Unit
9 PWM Pulse-width modulation
10 ADC Analog digital convert
11 UART Universal Asinchonus Receiver Transmitter
12 SPI Serial Peripheral Interface
13 I/O Inpu/output
14 ALU Arithmetic and logic unit
15 RAM Random Access Memory
16 DRAM Dynamic RAM
17 ROM Read-only memory
18 EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only
Memory
19 R Resistor
20 RTD Regional Transportation District
21 JTAG Joint Test Action Group
22 R/W Read/Write
23 RS Register Select
24 EN Enable
25 ms Mili second
26 W Watt
27 PCB Printed circuit board
28 I2C Inter-Intergrated Circuit
ix
29 NTC National Telecommunications Conference
30 LCD Liquid Crystal Display
31 ASCII American Standard Code for Information
Interchange
32 LED Light Emitting Diode
33 VCC Voltage Controlled Clock
34 GND Ground
35 PD1 PortD 1
36 MHZ Megahertz
37 K Kilo
38 IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
39 ADN Axit Deoxiribo Nucleic
40 ARN Axit ribonucleic
41 GIFR General Interrupt Flag Register
42 MCUCR MCU Control Register
43 GICR General Interrupt Control Register
44 NO Nomal open
45 NC Normal close
46 C Common
47 TIMSK Timer/Counter Interrupt Mask Register
48 TCNT Timer/Counter Register
50 PID Proportional Integral Derivative
x
PHẦN MỞ ĐẦU
Luận văn có nhiệm vụ thiết kế, chế tạo ra bo mạch điều khiển chính của tủ sấy, để
duy trì nhiệt độ trong tủ luôn ổn định trong khoảng nhiệt độ người dùng đã cài đặt,
thường là từ 110oC cho tới 300oC, nhiệt độ dao động cho phép là 2oC. Hiển thị nhiệt
độ thực tại trong tủ sấy bằng màn hình hiển thị và dễ dàng chuyển qua hiển thị nhiệt
độ đã cài đặt. Dễ dàng cài đặt nhiệt độ cũng như thời gian sấy và dễ dàng bật tắt tủ sấy
khi sử dụng. Ngoài ra, bảng điều khiển còn có khả năng thông báo khi kết thúc quá
trình sấy tiệt khuẩn, cảnh báo khi có sự cố quá nhiệt, hay cảnh báo khi có sự cố thiếu
nhiệt.
Hiện nay, các tủ sấy đang sử dụng ngoài thị trường đều có phương pháp tăng nhiệt
bằng cách sử dụng các kháng đốt, tùy dung tích tủ mà công suất của kháng đốt khác
nhau, thường sử dụng là các kháng đốt 2KW, 3KW. Nhiệt độ này được giám sát thông
qua các cảm biến nhiệt đặt phía bên trong tủ. Ngoài ra mạch còn có hệ thống báo động
khi tủ gặp phải các sự cố, bộ phận xả khí khi quá trình làm việc hoàn tất, bo mạch điều
khiển luận văn đang thiết kế dựa trên các phản hồi của các cảm biến nhiệt, của các
cảnh báo mà điều khiển kháng đốt, duy trì nhiệt độ trong tủ ổn định theo nhiệt độ và
thời gian đã được người sử dụng cài đặt. Dựa trên các yêu cầu trên, luận văn của tôi sẽ
được trình bày theo các phần sau:
Chương 1: Đặt vấn đề. Phần này giới thiệu về yêu cầu của bài toán đã đặt
ra, giới thiệu các tủ sấy tiệt khuẩn hiện đang có trên thị trường Việt Nam.
Chương 2: Lý thuyết cơ sở. Chương này sẽ đưa ra các lý thuyết liên quan
đến tủ sấy, các lý thuyết về vi sinh và ảnh hưởng của chúng tại nhiệt độ cao,
lý thuyết về ngắt và timer của vi điều khiển trong lập trình bộ đếm thời gian
để đặt thời gian cho tủ sấy.
Chương 3: Phân tích hệ thống. Chương này đưa ra sơ đồ khối chi tiết cho
mạch điều khiển của tủ sấy, lựa chọn loại linh kiện….
Chương 4: Thiết kế và thực nghiệm. Đưa ra thiết kế chi tiết và sản phẩm
hoàn thiện và kết quả chạy kiểm thử..
1
CHƯƠNG 1. TÔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Chương này sẽ giới thiệu về yêu cầu bài toán, tổng quan các tủ sấy hiện nay trên
thị trường, yêu cầu thiết kế và tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước.
1.1. Giới thiệu yêu cầu bài toán
Việc đưa các thiết bị công nghệ vào hỗ trợ trong quá trình khám chữa bệnh và
phục vụ tại các bệnh viện ở nước ta hiện nay là vấn đề vô cùng cần thiết. Với tình hình
điều kiện nước ta trong các năm gần đây đã có nhiều chuyển biến tích cực cụ thể là:
GDP năm 2015 đạt 6,68%, là mức tăng cao nhất trong 5 năm qua (năm 2011 tăng
6,24%; năm 2012 tăng 5,52%; năm 2013 tăng 5,42% và năm 2014 tăng 5,98%). Bình
quân 5 năm 2011-2015 tăng 5,9%/năm. GDP/người năm 2015 đạt 2.228 USD.
Chỉ số sản xuất công nghiệp (IIP) tăng 10% (năm 2014 tăng 5,8%); tổng mức bán
lẻ hàng hóa và doanh thu dịch vụ, nếu trừ yếu tố giá, tăng 8,7% (cùng kỳ năm trước
tăng 5,7%); chỉ số CPI cả năm ước chỉ tăng khoảng 1% so với tháng 12-2014, là mức
thấp nhất trong 10 năm qua; xuất khẩu tăng 10%, nếu tính cả giai đoạn 2011-2015 tăng
bình quân 18%/năm; nhập siêu đã giảm, xuống còn 3,6% kim ngạch xuất khẩu.[1]
Tình hình kinh tế đã ngày được cải thiện hơn, kéo theo điều kiện sống của nhân
dân ngày càng được nâng cao. Việc tăng cường đầu tư vào lĩnh vực y tế ngày càng
được quan tâm và chú trọng hơn. Việc trang bị thêm các thiết bị công nghệ vào trong
việc khám chữa bệnh sẽ làm cho hiệu quả của công tác khám chữa bệnh tăng lên đáng
kể chữa trị được bệnh trước chưa chữa được, giúp giảm thời gian khám chữa bệnh cho
người bệnh, giúp làm giảm chi phí thực hiện. Ta thấy, hiệu quả từ việc đầu tư nâng
cấp, cải thiện trang thiết bị y tế hiện nay là nhìn thấy rõ lợi ích của nó. Nhưng thực tế
nước ta còn gặp nhiều khó khăn, nhiều vấn đề chưa được giải quyết, nguồn ngân sách
hàng năm nhà nước cung câp để cải thiện trang thiết bị y tế hiện tại chưa thể đáp ứng
đầy đủ nhu cầu thực tế hiện nay tại các bệnh viện. Để có thể giải quyết vấn đề này thì
việc sử dụng hiệu quả các trang thiết bị sẵn có hiện nay là vô cùng cần thiết. Việc cải
tiến nâng, sửa chữa lại các thiết bị sử dụng cũng như việc giữ gìn bảo quản sử dụng tốt
các thiết bị đó cũng là giải pháp tốt để có thể sử dụng hiệu quả mà không phải đầu tư
mua mới sản phẩm thiết bị này.
Tủ sấy một trong những thiết bị được sử dụng phổ biến trong các bện viện tại nước
ta hiện nay. Thiết bị này được sử dụng trong hầu hết các khoa phòng tại bệnh viện. Nó
có tác dụng sấy khô hoặc tiệt trùng các thiết bị, dụng cụ hay các vật tư can thiệp vào
con người. Có nhiều phương pháp tiệt trùng khác nhau như hấp tiệt trùng, tiệt trùng
bằng tia UV và tiệt trùng bằng phương pháp sấy, đối với ứng dụng tiệt trùng dụng cụ y
tế thì tủ sấy cần phải có nhiệt độ sấy tối đa lên đến 300oC và cần có quạt lùa gió nằm
bên trong tủ để duy trì nhiệt độ đồng đều trong tủ, bên cạnh đó để giữ vai trò làm mát
bộ điều khiển thì cần có thêm quạt làm mát bộ điều khiển. Thường thì sau mỗi lần sử
dụng các dụng cụ phòng thí nghiệm, người ta phải rửa và sấy khô để tiếp tục sử dụng
2
lần sau, nhưng nếu để khô tự nhiên thì tốn thời gian rất lâu cho nên người ta có thể cho
tất cả vào tủ sấy và tiến hành sấy trong thời gian ngắn là có thể sấy khô dụng cụ phòng
thí nghiệm để sử dụng cho lần sau.
Tủ sấy phải làm việc trong môi trương có nhiệt độ cao trong thời gian dài, công
với việc điều kiện khí hậu nước ta nồm ẩm nên làm cho các thiết bị tủ sấy thường hay
hỏng hóc các bo mạch làm tủ không hoạt động được gây ra đình trệ trong công tác.
Việc sửa chữa các tủ này tốn khá nhiều chi phí cả thời gian và tiền bạc. Chính từ các lý
do đó tôi đã đề xuất ý tưởng thiết kế mạch điều khiển cho tủ sấy để có thể đảm bảo tủ
sấy có thể hoạt động vận hành ổn định, chi phí hợp lý, sản phẩm dễ sử dụng, dễ dàng
thay thế linh kiện và sửa chữa khi gặp sự cố.
Các tủ sấy dùng trong các bệnh viện hiện nay có nguyên lý chung dùng điều khiển
giữ nhiệt độ ổn định trong khoảng 110oC - 300oC, trong khoảng thời gian nhất định do
người dùng điều chỉnh sao cho phù hợp với thiết bị, dụng cụ, sản phẩm cần sấy. Ngoài
ra thiết bị còn có các bộ báo động khi tủ sấy gặp phải các sự cố khi sử dụng.
1.2. Yêu cầu thiết kế của sản phẩm
Sau khi tìm hiểu về các loại tủ sấy qua thực tế trong bệnh viện 103 cũng như tìm
hiểu cụ thể chi tiết tài liều kỹ thuật của các nhà sản xuất, tôi xin đưa ra yêu cầu thiết kế
về sản phẩm như sau:
Bộ đo và giám sát nhiệt độ
Mạch điều khiển sẽ đo và điều khiển nhiệt độ theo thông số chính qua một cảm
biến nhiệt độ đặt bên trong tủ sấy tại vị trí thích hợp tùy các cách bố trí của nhà sản
xuất theo từng các hãng khác nhau. Để có thể đảm bảo đo được nhiệt độ trung bình
của tủ sấy. Nhiệt độ cần đo được của cảm biến từ 0 – 300oC, độ sai lệch không quá
2%, độ phân giải 1oC.
Bộ đo và đếm thời gian
Bộ đo và đếm thời gian sẽ là bộ đếm thời gian làm việc của tủ sấy. Bộ đếm thời
gian này sẽ sử dụng bộ timer/counter bên trong VĐK được dùng để đo đếm thời gian
cho mạch điều khiển của tủ sấy. Giá trị thời gian đếm của tủ trong khoảng vài giờ
đồng hồ. Độ chính xác bộ đếm thời gian là 1s. Đếm thời gian bắt đầu đếm khi tủ bắt
đầu được hoạt động.
Điều khiển nhiệt độ cho tủ
Mạch điều khiển sẽ dựa vào thông số đo được của nhiệt độ bên trong tủ và thời
gian sấy của tủ. Bộ gia nhệt sẽ được điều khiển hoạt động khi nhiệt độ bên trong tủ
nhỏ hơn dải nhiệt độ cài đặt và trong khoảng thời gian sấy. Bộ gia nhiệt được điều
khiển ngắt hoạt động khi nhiệt độ bên trong tủ lớn hơn nhiệt độ cài đặt hoặc thời gian
3
hoạt động của tủ lớn hơn so với thời gian cài đặt ban đầu. Dải nhiệt độ làm việc có độ
rộng khoảng 50C.
Phím bấm và hiển thị
Mạch điều khiển có màn hình hiển thị bằng LCD 16x2. Hiện thị được các giá trị
nhiệt độ hiện tại bên trong tủ, thời gian đã hoạt động của tủ. Các giá trị cài đặt của tủ là
thời gian cài đặt gồm có số ngày, số giờ, số phút và nhiệt độ cài của tủ. Độ phân giải
thời gian là 1s, độ phân giải nhiệt độ là 10C.
Mạch điều khiển có các nút điều khiển là MODE, UP, DOWN, START, STOP.
+ MODE: dùng để chọn giá trị cài đặt cho tủ là nhiệt độ và thời gian
+ UP: là phím điều khiển để tăng các giá trị cài đặt
+ DOWN: là phím điều khiển dùng để giảm các giá trị cài đặt
+ START: là phím điều khiển dùng để khởi động tủ sấy
+ STOP: là phím điều khiển dùng để dừng quá trình hoạt động của tủ.
Cảnh báo
Hệ thống có chức năng cảnh báo bằng còi và đèn. Hệ thống đưa ra cảnh báo khi tủ
sấy gặp phải các sự cố như hiện tượng quá nhiệt hay hiệt tượng thiếu nhiệt. Báo động
cho người dùng biết để tìm cách khắc phục và sửa chữa
Yêu cầu khác
. Ngoài ra thiết kế hệ thống cần ổn định và nội địa hóa, linh kiện dễ dàng tìm kiếm
và thay thế khi gặp sự cố.
Bảng 1. 1. Bảng các yêu cầu chức năng của tủ sấy
Yêu cầu chức năng
Đo và giám sát nhiệt độ tủ trong khoảng từ 0 đến 3000C, Dải hoạt
1
động của nhiệt độ tủ khoảng 50C trong khoảng nhiệt độ cài
Màn hình LCD hiển thị giúp người sử dụng theo dõi được thống số
2 hoạt động của tủ sấy hiển thị thời gian sấy và nhiệt độ hiện tại khi đang
sấy và hiển thị được các trạng thái hoạt động của tủ
Có các phím điều khiển để người dùng có thể cài đặt thời gian và
3 nhiệt độ sấy của tủ để có thể phù hợp với từng loại dụng cụ và vật liệu
cần sấy.
Điều khiển các bộ gia nhiệt sao cho nhiệt độ của buồng sấy luôn ổn
4
định tại giá trị cài đặt
4
Yêu cầu chức năng
Có hệ thống điều khiển quạt đảo nhiệt để nhiệt bộ có thể phân bố đều
5
trong tủ
Có hệ thống cảnh báo, báo động khi tủ gặp phải sự cố để người dùng
6
biết.
Yêu cầu phi chức năng
1 Phù hợp với nhiệt độ và độ ẩm trong phòng
2 Thiết kế nhỏ gọn, đơn giản, giá thành hợp lý
3 Hoạt động phải có độ chính xác và độ ổn định cao
Nội địa hóa, linh kiện dễ dàng tìm kiếm và thay thế khi gặp các sự cố
4
hỏng hóc
1.3. Tổng quan về một số tủ sấy trong bệnh viện
Trên các bệnh viện hiện nay thì sử dụng rất nhiều các sản phẩm tủ sấy với rất nhiều
các loại mẫu mã và chủng loại đa dạng. Có một số hãng nước ngoài nổi tiếng về các
loại tủ sấy như Memmert của Đức, France Etuves của Pháp, Lenton của Anh, ngoài ra
có khá nhiều hãng có xuất xứ từ Trung Quốc và một số hãng trong nước. Đặc điểm sản
phẩm của các hãng nổi tiếng nước ngoài có chất lượng và mẫu mã tốt, có nhiều tính
năng nổi bật và đảm bảo an toàn ổn định, đạt các chứng chỉ chất lượng có uy tín như
CE, ISO… nhưng đổi lại thì chúng lại có giá thành khá cao. Một số sản phẩm có xuất
xứ từ Trung Quốc có đặc điểm nổi bật
giá thành tốt hơn nhiều các sản phẩm
nổi tiếng, có nhiều tính năng tốt nhưng
chất lượng và đảm bảo an toàn thì
không được như các hãng uy tín trên.
Dưới đây là một số sản phẩm tủ sấy
hay được dùng trong bệnh viện:
1.3.1. Tủ sấy phổ dụng
Memert (UN/UF)
Các ứng dụng của tủ sấy
Trong nghành công nghiệp dược
phẩm, công nghiệp thực phẩm mà còn
trong công nghệ môi trường để xác
Hình 1. 1. Tủ sấy phổ dụng Memert
định hàm lượng khô và ẩm bằng việc
sử dụng thiết bị cân.
5
Sấy khô các bộ phận trong điện tử, khử khí trong nhựa epoxy.
Chuẩn bị mẫu trong lĩnh vực nghiên cứu.
Trong công nghiệp cho việc lão hóa nhựa.
Làm ấm các chăn trong bệnh viện, các dung dịch rửa . .
Thông số kỹ thuật
Thể tích: 32 lít.
Kích thước trong: rộng 400 x cao 320 x sâu 250mm( nhỏ hơn 39 mm dành cho
quạt).
Kích thước ngoài: rộng 585 x cao 704 x sâu 434mm.
Số khay cung cấp: 01
Khoảng nhiệt độ hoạt động: +100C trên nhiệt độ môi trường đến 3000C
Đối lưu không khí bằng quạt gió, bước điều chỉnh 10%.
Bộ điều khiển bằng vi xử lý PID đa chức năng với màn hình hiển thị màu bằng
cảm ứng điện dung (TFT)
Bảng điều khiển nhiệt độ ControlCOCKPIT điều khiển các thông số: nhiệt độ
( C hoặc 0F), vị trí cửa đối lưu khí, chương trình thời gian
0
Sử dụng đầu dò nhiệt độ Pt100 DIN Class A
Điều chỉnh hỗn hợp không khí tiền gia nhiệt bằng cách điều chỉnh nắp lấy khí
10%
Tự chẩn đoán để phân tích lỗi
Cổng kết nối qua mạng Ethernet
Chức năng bảo vệ quá nhiệt: kiểm soát quá nhiệt bằng điện tử và bộ giới hạn
nhiệt độ dạng cơ TB, cấp bảo vệ class 1 theo tiêu chuẩn DIN 12 880 tự ngắt khi nhiệt
độ vượt quá khoảng 200C trên nhiệt độ cài đặt
Cấu trúc lớp vỏ bằng thép không gỉ, chống trầy, cứng và bền, phía sau bằng
thép mạ kẽm.
Bộ nhớ trong có khả năng lưu trữ ít nhất 10 năm
Cài đặt ngôn ngữ trên bảng điều khiển ControlCOCKPIT: Đức, Anh, Pháp, Tây
Ban Nha
Chế độ hoạt động: chạy liên tục và chạy theo thời gian từ 1 phút đến 99 ngày
Chức năng setpointWAIT đảm bảo chương trình thời gian không được bắt đầu
cho đến khi đạt đến nhiệt độ cài đặt tại tất cả các điểm đo.
Báo alarm bằng hình ảnh
Khả năng hiệu chuẩn trực tiếp trên bảng điều khiển ControlCOCKPIT cho 3 giá
trị nhiệt độ lựa chọn tự do
Chương trình được lưu trữ trong trường hợp mất điện
Bao gồm giấy chứng nhận hiệu chuẩn tại 1600C
Đạt 100% độ an toàn cho không khí (100% AtmoSAFE)
Nguồn điện: 230V ± 10%, 50/60Hz, 1600W
6
Ta thấy tủ sấy loại này, hoạt động khá tốt, khả năng cách nhệt của tủ rất tốt vỏ
ngoài tủ khi làm việc nhiệt không cao quá 40oC, tủ có thể sinh nhiệt ra đều toàn tủ với
hệ thống thanh gia nhiệt được được bố trí quanh 4 mặt tủ, dải nhiệt độ làm việc khá
rộng từ 10 – 3000C. Tủ được điều khiển bởi bộ điều khiển PID với cảm biến PT100,
hình thức tủ trông đẹp, sử dụng quạt đối lưu để nhiệt có thể phân bố đều hơn, chế độ
cài đạt điều chỉnh khá dễ dàng và thuận tiện, tủ sấy có chế độ bảo vệ quá nhiệt tự ngắt
khi nhiệt quá cao so với nhiệt cài đặt, có khả năng lưu chương trình làm việc khi đột
ngột mất điện.
1.3.2. Tủ sấy phổ dụng
France Etuves
Các ứng dụng của tủ sấy
Sấy tiệt trùng các dung cụ y
tế
Chúng rấ t thích hơ ̣p cho
nhiề u ứng du ̣ng như sấ y nhe ̣ các
sản phẩ m mỏng manh dễ vỡ, xử lý
nhiê ̣t các vâ ̣t liê ̣u bi ̣ oxy hóa, sấ y
tố c đô ̣ các loại bô ̣t và ha ̣t, dùng cho
trong phòng thí nghiêm và cả trong
công nghiê ̣p hóa chấ t, thực phẩ m
nông nghiê ̣p, điê ̣n tử, nhựa, mỹ Hình 1. 2. Tủ sấy phổ dụng France Etuves
phẩ m và ngành dươ ̣c ho ̣c .
Thông số kỹ thuật:
Dải nhiệt độ hoạt động : 20 – 3000C
Bên ngoài bằng thép sơn tĩnh điện, bên trong thép không gỉ dễ làm sạch nhờ các
góc tròn.
Đối lưu bằng quạt, đảm bảo độ đồng nhất cao.
Tốc độ gia nhiệt nhanh : 80C/ pht
Độ đồng nhất : +/- 1,20C tại 1050C
Độ chính xác : < +/-0.20C
Điều khiển bằng kỷ thuật số PID, hệ C3000.Thời gian làm việc được cài đặt tự
động từ : 0 – 99h59min.
Thời gian cài đặt độ trễ : 1 – 99h59min
Tốc độ đối lưu khí : 400M3/giờ
Cung cấp kèm theo hai khay bằng thép không rỉ
Nguồn điện : 220/240V – 50/60Hz
7
Hình 1. 3. Phím điều khiển của tủ sấy France etuves
Ta thấy lọai tủ sấy, hoạt động với dải nhiệt khá rộng tử 10 – 3000C, tủ sấy cũng
dùng hệ thống đôi lưu có sử dụng quạt, tốc độ quạt có thể điều chỉnh, tủ có dùng bộ
điều khiển C3000 với cảm biến PT100 rất chính xác, có đèn sáng phía bên trong tủ. Tủ
có hệ thống bảo vệ khi quá nhiệt, được làm bằng thép tấm phủ bằng sơn màu trắng và
màu xanh đẹp.Bên trong bằng thép không rỉ. Các bức tường và cánh cửa được cách
điện với len thủy tinh cách nhiệt hiệu quả, đảm bảo nhiệt độ thấp tại bề mặt và ổn định.
1.3.3. Tủ sấy tiệt trùng của Viettronics
Medda
Ứng dung của loại tủ sấy này :
Dùng tiệt trùng các dụng cụ y tế
Làm khô dụng cụ y tế
Thông số kỹ thuật:
Công suất lớn nhất 1.4 KW, công suất
trung bình 0.9 KW
Buồng sấy được cấu tạo bằng Inox SUS
304. Được giữ nhiệt bằng lớp bông khoáng
dầy.Có quạt đảo nhiệt
Nguồn cấp 1 pha 220V AC, 50-60 Hz Hình 1. 4. Tủ sấy Viettronics Medda
Tủ sấy đối lưu cưỡng bức, dòng khí được
điều chỉnh liên tục bằng hệ thống quạt khuấy chuyên dụng
Điều khiển bằng bộ vi xử lý trung tâm, phương thức điều khiển P.I.D.
Dải nhiệt độ sấy 20 – 3000C
Có các chế độ làm việc; hẹn giờ cho thiết bị hoạt động, chế độ gia nhiệt làm
nóng để sấy, chế độ giữ nhiệt độ khi nhiệt độ đạt đến giá trị cài đặt, chế độ làm mát khi
nhệt độ trong buồng <= 800C
Có cửa thông khí để thoát hơi ẩm từ buồng sấy.
8