Thiết kế và chế tạo mô hình đèn chiếu trị bệnh vàng da dành cho trẻ sơ sinh

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 19 CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 20 3.1 Giới thiệu thực trạng các thiết bị trị bệnh v àng da ở trẻ sơ sinh ở các Bệnh viện hiện nay . Như đã trình bày ở trên, hầu hết các thiết bị y tế ở thị tr ường Việt Nam đều nhập ngoại, những máy mà Việt Nam sản xuất chiếm một thị phần rất nhỏ, v à các thiết bị y tế có trình độ công nghệ cao thì nước ta chưa sản xuất được. Chính vì vậy những thiết bị y tế nhập khẩu hầu hết là mắc tiền so với thu nhập trung b ình của nước ta, ngoài ra chính vì nhập khẩu nên các thiết bị y tế đều mang một đặc th ù là độc quyền dẩn tới thực tế là khi mà thiết bị không may gặp sự cố th ì việc bảo trì rất khó khăn. Đa số các trường hợp là phải thay linh kiện chính hãng, mà mỗi lần thay thường tốn rất nhiều tiền và khó khăn, bởi vì nếu trục trặc những linh kiện mà hảng không có sẵn ở Việt Nam th ì cần phải chờ đặt hàng ở nước ngoài nên rất mất thời gian và phát sinh chi phí. Ngoài ra trong quá trình khảo sát các thiết bị đèn chiếu trị bệnh vàng da trước đây và hiện đang sử dụng tại các bệnh viện thì tôi thấy có một số hạn chế, đây cũng l à nguyên nhân nảy ra một số ý tưởng trong quá trình thiết kế. Các thiết bị đèn chiếu trị bệnh vàng da ở trẻ sơ sinh thường dùng các bóng đèn huỳnh quang, các thiết bì này thông thường thì chỉ có một hệ thống đèn và một giường cho em bé nằm. DÀN ĐÈN GIƯỜNG EM BÉ NẰM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 21 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 22 Hinh 3.1 Những dàn đèn chiếu vàng da dùng bóng đèn huỳnh quang. Khi mới sử dụng thì các bóng đèn huỳnh quang này rất tốt, nhưng qua một thời gian dài sử dụng thì các bóng này không phát ra cường độ mong muốn nữa, chính v ì vậy sẽ kéo dài thời gian điều trị. Ngoài ra khi dàn đèn phát ra cư ờng độ sáng thì làm thế nào biết được dàn đèn đó phát ra cường độ được yêu cầu, chính vì thế cần phải có một dụng cụ để đo cường độ sáng ở khoảng bước sóng này. Trong quá trình điều trị, việc xác định cường độ sáng trên da em được xác định theo khoảng cách giữa dàn đèn và em bé và khoảng cách này do nhà sản xuất qui định. Điều này chỉ đúng khi các bóng đèn còn hoạt động tốt phát ra đúng cường độ, nếu vì một lý do nào đó các bóng đèn này không phát ra công suất như đã tính toán thì tất yếu sẽ xảy ra hiện tượng cường độ sáng chiếu lên em bé sẽ bị thiếu, dẫn tới kéo dài thời gian điều trị, gây ra thiệt hại về kinh tế cho người thân của em bé. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 23 Nhưng tất cả các thiết bị đèn chiếu trị bệnh vàng da ở trẻ sơ sinh được biết ở các bệnh viện hiện nay đều không được tích hợp bộ phận đo cường độ sáng này. Thiết bị đo cường độ sáng này thông thường được các bệnh viện mua riêng và của một hãng khác chuyên về đo lường với giá rất cao nên thông thường được trang bị rất hạn chế. Các Bác sĩ hoặc y tá thông thường dựa vào kinh nghiệm của mình để điều chỉnh khoảng cách giữa dàn đèn và em bé, nhưng như thế thì rất thủ công và theo cảm tính của Bác sĩ nên sẽ không chính xác. Chính vì những thực tế như vậy đã làm nảy sinh một số ý tưởng thiết kế thiết bị trị bệnh vàng da cho trẻ sơ sinh, sẽ được trình bày trong phần sau. 3.2 Phương pháp nghiên cứu và giải thích cải tiến dựa trên sự trên khảo sát các thiết bị trong các bệnh viện Chính vì vậy khi bắt tay vào thiết kế thiết bị đèn chiếu trị bệnh vàng da cho trẻ sơ sinh, cần phải cải tiến các hạn chế nh ư trên đã nêu trên. Đó là cần phải tích hợp một thiết bị đo cường độ sáng đi kèm với thiết bị đèn chiếu trị bệnh vàng da ở trẻ sơ sinh. Để đảm bảo rằng việc theo dõi cường độ sáng trên da em bé là chính xác và đáng tin cậy. Nhưng thế là chưa đủ cần phải có thêm một phần điều khiển tự động để điều chỉnh c ường độ sáng trên da em bé dựa trên cường độ sáng mà Sensor thu nhận về để đảm bảo rằng ánh sáng trên da em bé luôn ở trong một khoảng mong muốn. V à cuối cùng một điều cần lưu ý nữa đó là cần phải tận dụng những linh kiện điện tử sẵn có ở Việt Nam, nhưng vẫn đảm bảo những thông số kỹ thuật cho thiết bị như: + Thiết bị phải phát ra ánh sáng có khoả ng bước sóng đúng với yêu cầu, nhằm đảm bảo cho quá trình điều trị có hiệu quả . + Phát ra cường độ sáng đúng với yêu cầu đề chắc chắn rằng cường độ sáng trên da em bé đúng với yêu cầu điều trị đặt ra . + Đảm bào an toàn cho em bé trong quá trình điều trị . LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 24 + Ứng dụng vi xử lý để điều khiển thiết bị , tự động điều chỉnh cường độ sáng theo một giá trị cài đặt trước . + Dể sử dụng . + Rẻ hơn các thiết bị ngoại nhập . Ngoài ra việc sử dụng đèn LED super bright thay thế các bóng đèn huỳnh quang chuyên dụng cũng là một cải tiến trong quá tr ình thiết kế thiết bị đèn chiếu trị bệnh vàng da cho trẻ sơ sinh . Như trình bày ở trên, trước đây các thiết bị đèn chiếu trị bệnh vàng da cho trẻ sơ sinh thường dùng bóng đèn huỳnh quang chuyên dụng. Các bóng đèn huỳnh quang này được phủ một lớp huỳnh quang đặc biệt nhằm phát ra ánh sáng xanh có b ước sóng thích hợp. Chính vì thế nên ánh sáng phát ra của những bóng đèn này là không liên tục (nhấp nháy). So với việc thay đổi bóng huỳnh quang bằng đèn LED thì có những ưu điểm sau đây : + Hiệu quả điều trị cao hơn do ánh sáng của đèn LED phát ra là ánh sáng liên t ục, còn ánh sáng phát ra của bóng đèn huỳnh quang là không liên tục nên hiệu quả điều trị của LED cao hơn so với bóng đèn Huỳnh quang . + Tuổi thọ trung bình của LED cao hơn so với bóng huỳnh quang . + Tiết kiệm năng lượng vì công xuất tiêu thụ điện của LED thấp hơn nhiều so với công xuất tiêu thụ của bóng huỳnh quang . + Giá thành của 1 dàn đèn dùng LED thấp hơn so với 1 dàn đèn dùng bóng huỳnh quang . +Việc sử dụng đèn LED làm cho dàn đèn cho cấu trúc gọn hơn so với dàn đèn dùng bóng Huỳnh quang giúp cho quá trình sử dụng được thuận tiện và dể dàng hơn . + Việc sử dụng đèn LED làm giảm quá trình sinh nhiệt do dàn đèn gây ra làm giảm yếu tố gây ảnh hưởng tới các thiết bị khác ví dụ như lông hấp em bé sơ sinh . LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 25 Chính vì những điểm ưu thế hơn so với bóng đèn huỳnh quang như vậy nên việc thay thế bằng đèn LED super bright là một cải tiến có ý nghĩa quan trọng về mặt công nghệ và phù hợp với xu hướng phát triển của thế giới . 3.3 Xây dựng sơ đồ khối cho thiết bị . Dựa vào những tiêu chí như đã trình bày ở trên, từ đó giúp tôi thiết kế sơ đồ khối của thiết bị đèn chiếu trị bệnh vàng da ở trẻ sơ sinh. Để đáp ứng được những mục đích nêu trên sơ đồ khối sẽ bao gồm các khối sau đây: 1. Dàn đèn . 2. Sensor quang thu nhận ánh sáng . 3. Khối khuếch đại . 4. Khối ADC (chuyển tín hiệu Analog sang Digital) . 5. Khối vi xử lý . 6. Khối hiển thị thông số (cường độ sáng) hiện tại . 7. Khối cài đặt . 8. Khối hiển thị thông số (cường độ sáng) cài đặt . Sau đây là sơ đồ khối của thiết bị : LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 26 Hình 3.2 Sơ đồ khối thiết bị đèn chiếu trị bệnh vàng da cho trẻ sơ sinh *) Giải thích sơ đồ khối. Sơ đồ khối trên gốm có 9 khối Khối 1: Là dàn đèn, khối này sẻ bao gồm 1 ma trận các đén LED super bright, cách sắp sếp các đèn LED super bright này cũng như số đèn LED super bright này được tính toán cụ thể nhằm đảm bảo công xuất v à phân bố trên gường em bé nằm . Khối 2: Là Sensor quang thu nhận tín hiệu, có bước sóng thu nhận thích hợp trong khoảng tần số mà dàn đèn LED super bright phát ra . Khối 3: Là khối khuếch đại, nhằm mục đích khuếch đại tín hiệu lên ở một giá trị thích hợp để sau đó tín hiệu n ày sẽ tiếp tục đưa vào khối ADC . Khối 4: Đây là khối chuyển tín hiệu analog sang digital để tiếp tục đưa vào khối kế tiếp xử lý . Dàn đèn Sensor Khuếch đại ADC Vi xử lý Hiển thị thông số hiện thời Phím nhấn cài đặt Khối điều khiển cường độ dàn đèn Hiển thị thông số cài đặt LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 27 Khối 5: Khối vi xử lý, đây là khối điểu khiển trung tâm, điều khiển các bộ phận khác như: điều khiển hoạt động của ADC, điểu khiển hiển thị LED 7 đoạn, so sánh tín hiệu nhận vào với giá trị cài đặt từ đó ra quyết định điều khiển cường độ dàn đèn . Khối 6: Hiển thị thông số hiện thời, tại đây sẽ phản ánh c ường độ sáng hiện tại mà Sensor quang thu nhận được . Khối 7: Khối phím nhấn cài đặt, đây là nơi máy tương tác với người sử dụng, người sử dụng có thể cài đặt thông số cường độ sáng mong muốn dàn đèn chiếu vào em bé . Khối 8: Khối hiển thị thông số cài đặt là nơi hiển thị các thông số khi người sử dụng tương tác với phím nhấn . Khối 9: Khối điều khiển cường độ sáng dàn đèn, khối này chịu trách nhiệm nhận tín hiệu điều khiển của khối Vi xử lý để từ đó tăng hoặc giảm cường độ chiếu sáng lên da em bé nhằm giữ cho cường độ sáng trên da em bé luôn trong khoảng cài đặt xác định . 3.4 Lựa chọn các linh kiện cho thiết bị . 3.4.1 Lựa chọn bóng đèn . Từ sơ đồ khối như trên, đây là nền tảng cơ sở để thiết kế thiết bị đèn chiếu trị bệnh vàng da cho trẻ sơ sinh, trong đó các bộ phận của thiết bị được cân nhắc chọn lựa các linh kiện có sẵn ở Việt Nam. Nhưng bên cạnh đó để đảm bảo tính chính xác cũng như hiệu quả điều trị của thiết bị, các bộ phận liên quan trực tiếp đến điều trị như dàn đèn phát ra ánh sáng có khoảng bước sóng thích hợp cần phải chọn linh kiện n ước ngoài bởi những lý do sau đây: + Linh kiện dùng để phát ánh sáng xanh dương cụ thể là tôi dùng đèn LED super bright phát ra ánh sáng có bư ớc sóng trong khoảng 420 nm  480 nm hiện giờ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 28 trên thị trường Việt Nam chưa có bán, chỉ có hàng Trung Quốc nhưng không có thông số rõ rang . + LED nhập từ nước ngoài có thông số rõ ràng nên ta có thể chắc chắn ánh sàng phát ra là ánh sáng mà ta mong muốn, và từ các thông số này ta có thể dễ dàng tính ra số LED mà ta sử dụng nhằm đảm bảo phát ra c ường độ sáng như mong muốn . Sau một thời gian tìm thông tin trên internet thì tôi đã tìm được bóng đèn LED phát ra ánh sáng mong muốn với cường độ sáng tương đố lớn và giá thành chấp nhận được. Sau đây là các thông số của bóng đèn LED super bright mà tôi đã tìm đuợc trên internet có mã số RL5-B2545 . Các thông số cơ bản: Hình 3.3 Các thông số cơ bản của Super bright LED RL5 -B2545 [2]. Các thông số về kích thước: LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 29 Hình 3.4 Các thông số về kích thước của super bright LED RL5 - b2545 [2]. Các thông số về dòng và áp và cường độ sáng: Hình 3.5 Các thông số về dòng và áp và cường độ sáng [2]. Các thông số ảnh hưởng của nhiệt độ: LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 30 Hình 3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ. [2] Các thông số về bước sóng: Hình 3.7 Phổ bước sóng phát ra. [2] Bảng giá của LED RL5-B2545: LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 31 MÃ SỐ LINH KIỆN TỪ 1-9 LED TỪ 10-49 LED TỪ 50-99 LED NHIỀU HƠN 100 LED NHIỀU HƠN 1000 LED RL5-B2545 1.29 USD 1.09 USD 0.99 USD 0.89 USD 0.70 USD 3.4.2 Lựa chọn Sensor quang thu nhận tín hiệu . Chọn sensor là một công đọan rất quan trọng bởi v ì ánh sáng trong khoảng bước sóng này phát ra rất khó thu nhận, tín hiệu nhận về phụ thuộc vào rất nhiều vào công đoạn lựa chọn Sensor. Chính vì thế chọn Sensor quang cần phải cân nhắc kỹ Dựa vào bước sóng ánh sáng phát ra, ta chọn Sensor thu nhận sao cho có b ước sóng đáp ứng trùng với bước sóng mà đèn LED Super bright phát ra. Sau một thời gian tìm thông tin trên internet và tham khảo ở các sách tôi tìm được con Photodiode có mã số là BPW21R của hãng Siemens Sau đây là Datasheet của nó: Hình 3.8 Hình dạng bên ngoài của sensor BPW21R [3] +) Các thông số cơ bản: LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 32 Hình 3.9 Các thông số cơ bản của sensor BPW21R [3] +) các thông số đặc trưng: LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 33 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 34 Hinh 3.10 Các thông số đặc trưng của sensor photodiode BPW21R [3] Từ các thông số trên ta có thể thấy đáp ứng bước sóng của photodiode BPW21R l à hoàn toàn phù hợp với yêu cầu thiết kế, khoảng bước sóng đáp ứng là từ 420 nm  675 nm, sensor này có độ nhạy cao nhất ở bước sóng 565 nm, trong khi đó d àn đèn LED super bright phát ra ánh sáng có bư ớc sóng trong khoảng từ 420 nm  550 nm với cường độ phát mạnh nhất ở bước sóng 460 nm ( là bước sóng mà Bilirubine hấp thụ nhiều nhất ) . Như vậy ta có thể nhận thấy rằng toàn bộ phổ ánh sáng của LED super bright đều nằm trong khoảng bước sóng thu nhận của sensor, hơn nửa ánh sáng do LED super bright phát ra nằm trong khoảng gần như tuyến tính với độ nhạy của sensor, N ên có thể kết luận là sensor của ta có đáp ứng thu nhận rất tốt với bước sóng mà LED super bright phát ra . 3.4.3 Lựa chọn linh kiện cho khối ADC . Ngày nay hầu hết việc truyền đạt tín hiệu cũng nh ư quá trình điều khiển và chỉ thị đều thực hiện theo phương pháp số, vì vậy khối vi xử lý chỉ xử lý được các tín hiệu số được mã dưới dạng các bit nhị phân, mà tín hiệu của ta thu nhận là tín hiệu Analog nên cần phải có thiết bị mã hóa tín hiệu này sang các bít nhị phân. Đây là thiết bị trung gian kết LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 35 nối giữa khối khuếch đại và khối xử lý trung tâm. Trong phần này tôi dùng IC ADC 0809, IC này rất thông dụng trong thực tế và thường thấy trong các hệ thống điều khiển ở Việt Nam. Ngoài ra IC ADC 0809 có một số ưu điểm sau: 3.4.3.1 Giới thiệu về IC ADC 0809 . Bộ ADC 0809 là một thiết bị CMOS đơn tinh thể có bộ chuyển đổi tương tự sang số A/D, mạch đa hợp 8 kênh và mạch logic điều khiển tương thích với bộ vi xử lý. Mạch A/D 8 bit dùng phép xấp xỉ liên tiếp làm kỹ thuật biến đổi. Mạch biến đổi đ ược đặt trưng bằng mạch so sánh, mạch chia điện áp 256 điện trở có cây chuyển mạch tương tự và thanh ghi xấp xỉ liên tiếp. Linh kiện này có ưu điểm là loại bỏ các nhu cầu hiệu chỉnh zero v à toàn giải bên ngoài. Tính giao diện dể dàng với các bộ vi xử lý được cung cấp bởi các ngõ vào địa chỉ mạch ghép kênh được chốt và được giải mã và các ngõ ra 3-trạng thái TTL được chốt. Ngoài ra IC ADC 0809 còn có các ưu điểm sau : + Dể dàng giao diện với các bộ vi xử lý . + Không yêu cầu chỉnh ZERO hoặc toàn giải . + Mạch đa hợp 8 kênh có mạch logic địa chỉ . + Tốc độ biến đổi cao . + Độ chính xác cao . + Phụ thuộc tối thiểu vào nhiệt độ . + độ chính xác và lặp lại trong thời gian dài rất tốt . + Công xuất tiêu thụ ít nhất . *) Sơ đồ chân IC ADC 0809: LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 36 Hình 3.11 Sơ đồ chân IC ADC 0809 [3]. *) Ý nghĩa các chân của IC ADC 0809: - IN1 IN8 : 8 ngõ vào analog . - A, B, C : giải mã chọn các ngõ vào Analog . - 2-1 2-8 : ngõ ra song song 8 bit . - ALE : cho phép chốt địa chỉ . - Start : xung bắt đầu chuyển đổi . - CLK: chân cấp xung clock cho ADC . LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 37 - OE ( output enable ): xung cho biết được phép lấy tín hiệu ra . - EOC (end of convert ): chân cho biềt kết thúc chuyển đổi . - VREF + : chân cấp điện áp tham chiếu + . - VREF - : chân cấp điện áp tham chiếu - . - VCC, GND : lần lượt chân cấp nguồn và chân nối mass . 3.4.3.2 Đặc điểm và nguyên tắc hoạt động của IC ADC 0809. + Độ phân giải 8 bit + Sai số tổng không hiệu chỉnh : ± ½ LSB và ± 1LSB + Nguồn cung cấp điện đơn: 5 VDC + Công xuất thấp : 15 mW + Thời gian biến đổi: 100 µs + Nguyên tắc chọn kênh Analog: Hình 3.12 Nguyên tắc chọn kênh của ADC 0809 . LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 38 + Nguyên tắc hoạt động của IC ADC 0809: muốn IC ADC 0809 hoạt động th ì cần nối các châm điều khiển của IC ADC 0809 v ào hệ thống vi xử lý, và dùng hệ thống vi xử lý này để điều khiển hoạt động của IC ADC 0809, cụ thể theo những bước sau: Bước 1: Chọn một kênh analog ngõ vào bằng cách chốt các chân theo nh ư bảng trên . Bước 2: Kích hoạt xung ALE (chân cho phép chốt địa chỉ của IC ADC 0809 ) . Bước 3: Kích hoạt chân start để cho IC ADC 0809 bắt đẩu chuy ên đổi . Bước 4: Chờ cho chân EOC (end of convert ) lên mức tích cực cao, lúc này quá trình chuyển đổi đã thực hiện xong . Bước 5: Kích hoạt chân OE (output enable ) chân n ày cho phép đọc dữ liệu ra từ IC ADC 0809 Giá trị ra của tín hiệu analog cấp v ào bằng N: Trong đó: - N là giá trị 8 bit ứng với tín hiệu analog vào . - VIN là ngõ vào analog . LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 39 - Vref (+) là điện áp tham chiếu tại chân REF (+) . - Vref (-) là điện áp tham chiếu tại chân REF ( -) . Nếu như Vref (-) = 0 V tương ứng với nối xuống chân GND Nếu Vref (+) = 5V thì tương ứng là điện áp vào cao nhất ( toàn tầm ) của tín hiệu analog là 5V . + Một điều cần lưu ý là cấn phải tao mạch xung clock ri êng cho IC ADC 0809, bởi vì IC ADC 0809 không có xung clock riêng, tốc độ biến đổi của IC ADC 0809 phụ thuộc vào tần số xung clock, nhưng thời gian biến đổi này không nhanh hơn 100 ms. Tần số chuẩn của cung clock cấp cho IC ADC 0809 l à 640 khz . 3.4.4 Lựa chọn linh kiện cho khối Vi xử lý . 3.4.4.1 Vai trò của khối vi xử lý trong hệ thống . Khối vi xử lý là khối điều khiển trung tâm của hệ thống, có thể ví khối vi xử lý l à bộ óc của 1 thiết bị hoặc 1 hệ thống. ng ày nay hầu hết các thiết bị điện tử đều có các hệ thống điều khiển tự động, các thiết bị n ày tự đông hoạt động theo một ch ương trình đã cài đặt sẵn. Các hệ thống tự động không chỉ đi vào các lĩnh vực công nghiệp, y tế… mà còn đi xâu vào các thiết bị sinh hoạt hàng ngày như Tivi, lò vi sóng, máy giặt... Có thể nói rằng điều khiển tự động ngày càng làm cho cuộc sống con người ngày dể chịu và tiện nghi hơn. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 40 Có thể nói rằng thiết bị càng thông minh thì vài trò của khối vi xử lý càng thể hiện vai trò quan trọng của chúng, trong thiết kế thiết bị đèn chiếu vàng da dành cho trẻ sơ sinh thì không chỉ điểu chỉnh cường độ sáng của dàn đèn mà nó còn điều khiển quá trình thu nhận tín hiệu (IC ADC), ngoài ra còn thực hiện quá trình hiển thị lên LED 7 đoạn. Nếu hệ thống có kết nối với các thiết bị khác nh ư máy tính thì việc điều khiển tín hiệu cần phải phối hợp đồng bộ giữa bộ phận nhận v à phát và muốn làm được điều này cũng cần có vi xử lý để điều khiển tín hiệu theo các chuẩn giao tiếp . Chính vì vậy cần phải có một quá trình điều khiển nhịp nhàng giữa các khâu để cho hệ thống điều khiển hoạ t động ổn định và hiệu quả nhất. Trong hệ thống điều khiển của thiết bị đ èn chiếu vàng da dành cho trẻ sơ sinh tôi dùng IC 89C52 thuộc họ 8051 bởi vì những lý do sau: + Là một họ vi điều khiển rất thông dụng và phổ biến nhất nhất thế giới và ứng dụng trong nhiều lĩnh lực. + Có điểm mạnh trong cách sử lý ngắt. + Họ vi xử lý 8051 có bán rất nhiều trên thị trường Việt Nam. + Dung lượng Ram và Rom nội khá lớn ( Ram 128 byte, Rom 8Kb ) , thích hợp với đồ án điều khiển, khi cần có thể mở rộng dung l ượng Rom nội. + Tương thích với IC ADC 0809. + Giá thành rẻ. 3.4.4.2 Giới thiệu về IC 89C52 . *) Kiến trúc cơ bản của họ vi điều khiển 8051 [4] . + Một ALU 8 bit + 32 chân I/O riêng biệt ( 4 nhóm mỗi nhóm 8 chân I/O ) có thể truy cập ri êng rẻ + Hai bộ định thời/đếm 16 bit. + Đơn vị thu/phát bất đồng bộ phổ biến UART ho àn toàn xong công. + Sáu nguồn hay nguyên nhân ngắt ( interrupt source ) với hai mức ưu tiên. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 41 + 128 byte RAM bên trong chip (Ram n ội) + Hai không gian địa chỉ 64Kbyte riêng rẽ cho bộ nhớ CODE (chương trình) và bộ nhớ DATA (dữ liệu ). Hình 3.13 Sơ đồ khối của 8051 [4]. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 42 *) Sơ đồ cách bố trí chân của 8051: Hình3.14 Sơ đồ bố trí chân của 8051 [4] . LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 43 *) Ý nghĩa các chân trên 8051: - Port 0: là port 2 chức năng trên các chân từ 32 đến 39, nếu dùng bộ nhớ mở rộng nó được dồn kênh giữa bus địa chỉ và bus dử liệu - Port 1: là cổng dành riêng cho nhập xuất trên các chân 1-8. Các chân được ký hiệu P1.0, P1.1, P1.2,… có thể dùng cho giao tiếp với các thiết bị ngoài nếu cần. - Port 2: là cổng công dụng kép trên các chân 21-28 được dùng như các đường xuất nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối vớ i các thiết kế dùng bộ nhớ mở rộng. - Port 3: là cổng công dụng kép trên các chân 10-17. Các chân của port này có nhiều chức năng, các công dụng chuyển đổi có liên hệ với các đặt tính đặt biệt của 8051 như sau: .P3.0 : Dữ liệu nhận cho port nối tiếp .P3.1 : Dữ liệu phát cho port nối tiếp .P3.2 : Ngắt 0 bên ngoài. .P3.3 : Ngắt 1 bên ngoài. .P3.4 : Ngõ vào của timer/counter 0 .P3.5 : Ngõ vào của timer/counter 1. .P3.6 : Xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài. .P3.7 : Xung đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài. -PSEN: là chân số 29, tích cực mức thấp, nó là tín hiệu điều khiển để cho phép bộ nhớ chương trình mở rộng và thường được nối đến nhân OE (output enable ) của một EPROM để cho phép đọc các byte mã lệnh. Chú ý khi thi hành chương trình trong rom nội PSEN sẽ ở mức tích cực cao. -ALE : là chân số 30, tích cực mức cao, cho phép chốt địa chỉ. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 44 -EA : Cho phép truy cập bên ngoài, tín hiệu EA vào chân 31, thường được mắc lên mức cao (+5V ) hoặc tích cực mức thấp (0V). Nếu ở mức tích cực cao th ì 8051 thi hành lệnh chương trình từ rom nội, nếu ở mức tích cực thấp th ì chương trính thi hành từ bộ nhớ mở rộng. -RST: Chân số 9, tích cực mức cao, là ngõ reset chính của 8051. Khi tín hiệu này được đưa lên mức cao (trong ít nhất 2 chu kỳ máy), các thanh ghi b ên trong sẽ được nạp vào những giá trị thích hợp để khởi đông hệ thống đúng. -Các ngõ vào dao động trên 8051: như đã thấy ở hình trên, 8051 có chân ngõ vào c ấp xung clock trên chân số 18, 19 được nối nối với hai tụ 30 PF và thạnh anh tạo dao động tần số 12 Mhz. *) Các thanh ghi đặc biệt : - Các thanh ghi port xuất nhập: Các port của 8051 có ưu điểm là địa chỉ hóa từng bít, rất thuận lợi trong quá tr ình lập trình và giao tiếp rất thuận lợi. Các port này tương ứng ứng ở các địa chỉ: - Port 0: ở địa chỉ 80H - Port 1: ở địa chỉ 90H - Port 2: ở địa chỉ AOH - Port 3: ở địa chỉ B0H - Các thanh ghi timer: 8051 gồm có 2 bộ định thời đếm 16 bit đ ược dùng trong các việc định thời hoặc đếm sự kiện . Timer 0 ở địa chỉ 8AH ( TL 0 l à byte thấp ) và 8CH (TH0 là byte cao). Timer 1 ở địa chỉ 8BH ( TL1 là byte thấp ) cà 8DH (TH1 là byte cao). Hoạt động của timer được đặt bởi thanh ghi timer mode (TMOD) ở địa chỉ 89H v à thanh ghi và thanh ghi đi ều khiển timer (TCON) ở địa chỉ 88H, và cần lưu ý là chỉ có TCON là địa chỉ hóa từng bit. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 45 - Các thanh ghi cổng nối tiếp: 8051 chứa 1 cổng nối tiếp trên chíp dành cho việc trao dổi thông tin với càc thiết bị nối tiếp như máy tính, modem hoặc các IC khác có giao tiếp nối tiếp, điều n ày rất thuận lợi cho việc kết nối với máy tính củng nh ư ADC… - Các thanh ghi ngắt: 8051 có cấu trúc 5 nguồn ngắt, 2 mức ưu tiên. Các ngắt bị cấm sau khi reset hệ thống và sẽ được cho phép bằng cách ghi vào thanh ghi cho phép ngắt ở địa chỉ A8H. Cả hai thanh ghi đuợc địa chỉ hóa từng bit. Hoạt động ngắt đ ược bàn chi tiết ở phần sau. - Thanh ghi điều khiển nguồn: Thanh ghi điều khiển nguồn (PCON) ở địa chỉ 87H chứa các bit điều khiển, v à chú ý là PCON không thể truy cập theo các địa chỉ bit. *) Giới thiệu hoạt động của bộ định thời 8051: Timer là một chuỗi các Flip Flop chia đôi tần số mắc nối tiếp vớ i nhau, chúng nhận tín hiệu vào làm nguồn xung nhịp. Xung nhịp được đưa vào Flip Flop thứ nhất để chia đôi tần số xung nhịp. Ngõ ra của Flip Flop thứ nhất làm xung nhịp cho Flip Flop thứ 2 và.v.v…Ví mỗi tần kế tiếp chia đôi cho nên timer có n tầng sẽ cho xung ra có tần số là tần số xung nhịp chia cho 2n. Ngõ ra của tần dưới làm xung nhịp cho Flip Flop báo tràn của timer. Giá trị nhi phân trong các Flip Flop của timer có thể xem nh ư là số đếm xung nhịp từ khi timer bắt đầu chạy. Ví dụ, timer 16 bit sẽ đếm l ên từ 0000H đến FFFFH. Cờ báo tràn sẽ bật lên khi số đếm tràn từ FFFFH đến 0000h. 8051 có 2 timer 16 bit , có 16 tầng hay tầng cuối cùng chia tần số xung nhịp cho 216 = 65536. mỗi timer có 4 chế độ hoạt động. Thông th ường người sử dụng timer nhằm mục đích : + Định khoảng thời gian. + Đếm sự kiện. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 46 + Tạo tốc độ baud cho cổng nối tiếp có sẳn trong 8051. Cụ thể trong các ứng dụng định khoảng thời gian, ng ười ta lập trình cho timer tràn ở một khoảng đều đặn và đặt cờ tràn timer lên 1. Cờ được dùng để đồng bộ hóa chương trình để thực hiện một tác động như kiểm tra trạng thái của các ng õ vào hoặc gửi dữ liệu ra các ngõ vào. Hình 3.15 Các nguồn tạo xung nhip cho port nối tiếp. [4] Trong các ứng dụng đếm sự kiện dùng để xác định số lần xảy ra của một sự kiện h ơn là đo khoảng thời gian trôi qua giửa các sự kiện. Một sự kiện l à bất cứa tác động bên ngoài LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 47 nào có thể cung cấp một chuyển tiếp 1 sang 0 tr ên một chân nào đó của 8051, ngoài ra timer còn dùng để set tốc độ baud cho cổng nối tiếp có sẵn trong 8051. Tốc độ baud cố định ở các chế độ 0 và 2, trong chế độ 0 tốc độ baud luôn bằng tần số của xung clock cung cấp cho chip 8051 chia cho 12. Giả sử thạch anh d ùng trong 8051 là 12Mhz thí tốc độ baud ở chế độ 0 là 1Mhz. 3.5 Thiết kế sơ đồ mạch điện chi tiết của thiết bị và mô hình . 3.5.1 Sơ đồ chi tiết bộ khuếch đại . Hầu hết các thiết bị điện tử có các bộ phận cảm biến đều có bộ phân khuếch đại tín hiệu, khối này có vai trò làm cho tín hiệu có độ đủ lớn để cho các phần cứng bên trong thiết bị có thể giao tiếp được. Có rất nhiều mạch khuếch đại nhưng mỗi mạch có những ưu điểm và khuyết điểm riêng. Tùy vào mỗi ứng dụng mà người sử dụng cân nhắc chọn lựa mạch khuếch đại cho phù hợp. Riêng trong mảng thiết bị y tế, mạch khuếch đại thường sử dụng là mạch khuếch đại thiết bị ( instrument amplifier ). Bởi vì mạch khuếch đại thiết bị này có khả năng lọc nhiễu rất tốt và rất ổn định, chính vì vậy trong phạm vi đề tài này mạch khuếch đại được tôi chọn và sử dụng là mạch khuếch đại thiết bị. Sau đây là sơ đồ mạch khuếch đại mà tôi dùng: Trong sơ đồ mạch trên tôi dùng IC LM324, mắc với các điện trở như hình vẽ, vì nguyên lý hoạt động của mạch khuếch đại vi sai là khuếch đại hiệu hai đầu tín hiệu nhận vào, mà hai tín hiệu đầu vào này nhiễu giống nhau, chính vì vậy tín hiệu ra là tín hiệu có ích sau khi đã triệt tiêu nhiễu. Vì vậy khi chọn điện trở cho sơ đồ mạch trên cân phải chọn lựa điện trở có giá trị bằng nhau để bảo đảm sự triệt nhiễu tối đa. Vì em dùng IC LM 324 nên không c ần thiết phải điều chỉnh offset. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 48 Hình 3.16 Sơ đồ mạch khuếch đại . Sau đây là sơ đồ mạch thực tế thực hiện được: Hình 3.17 Sơ đồ mạch khuếch đại . LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 49 Hình ảnh thực tế khi test mạch khuếch đại: Hình 3.18 Tín hiệu đầu vào [ 5V/div] Hình 3.19 Tín hiệu đầu ra mạch khuếch đại [1V/div] LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 50 Qua hình trên ta thấy rằng tín hiệu vào rất là nhiễu nhưng khi qua mạch khuếch đại thì tín hiệu gần như là không còn nhiễu nữa, Tín hiệu đầu vào khoảng 3mV ở thang đo 5mv/div Tín hiệu đầu ra khoảng 3V ở thang đo 1 V/div . 3.5.2 Sơ đồ mạch cấp xung clock cho IC ADC 0809 v à 8051 . Như đã trình bày ở trên thì IC ADC 0809 có một bộ phận tạo xung clock riêng, nguồn xung clock này làm giúp cho sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian biến đổi của IC ADC 0809 nhưng mà cũng không thể nhanh hơn 100ms, đây là thời gian biến đổi nhanh nhất của IC ADC 0809 . Có rất nhiều lựa chọn cho thiết kế để tạo nguồn xung clock cho IC ADC 0809 b ởi vì có rất nhiều mạch tạo xung clock và tài liệu về phấn này cũng rất nhiều . Khi bắt đầu tiến hành tạo mạch xung clock cho IC ADC 0809 thì tôi ch ọn mạch xung clock dùng IC 555 bởi vì mạch này rất thông dụng và phổ biến ngoài ra có thể điều chỉnh tân số xung clock rất dể dàng . Sơ đồ mạch như sau: Hình 3.20 Sơ đồ mạch của mạch xung clock dùng IC 555 . LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 51 Nhưng sau đó trong quá trình sử dụng thì bản thân tôi cũng thấy khi nâng tầng số cao trên 500 Khz thì xung ra không ổn định mà IC ADC 0809 cần xung Clock chuẩn là 640Khz, sau đây là sơ đồ mạch thực tế tôi làm được : Hình 3.21 Mạch thực tế của mạch xung Clock dùng 555 . Sau này trong quá trình tìm hi ểu thì tôi thấy dùng sơ đồ mạch sau đây rất tiện dụng và hiệu quả khi tương tác với IC ADC 0809 rất tốt chạy rất ổn định và tới hiện nay thì chưa thấy có trục trặc nào. Sau đây là sơ đồ mạch : Hình 3.22 Sơ đồ mạch của mạch xugn Clock dùng 74LS04 . LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 52 Mạch gồm 1 IC 74LS04 chứa 6 cổng NOT, một điện trở 820 Ω và một tụ 1 µF mắc như hình vẽ. Sau đây là sơ đồ chân của IC 74LS04: Hình 3.23 Sơ đồ chân của IC 74LS04 . Hình 3.24 Hình dạng của IC 74LS04 . LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 53 Sau đây là thực tế thực hiện được: Hình 3.25 Mạch thực tế xung Clock dùng IC 74LS04 thực hiện được . Sau đây là hình ảnh thu được qua dao động ký: Hình 3.26 Hình ảnh thu được trên dao động lý của mạch xung clock dung IC 74LS04 . LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 54 3.5.3 Sơ đồ mạch cấp VREF + cho IC ADC 0809 . Mạch xung clock của IC ADC 0809 là mạch cũng rất quan trọng góp phần làm cho IC ADC 0809 hoạt động ổn định, đây chính là điện áp tham chiếu giúp cho IC ADC 0809 biết được tầm điện áp lấy mẫu và sẽ so sánh giá trị đầu vào từ đó cho ra giá trị thích hợp. Chính vì vậy mà giá trị điện áp tham chiếu cần phải là một giá trị ổn định, không thay đổi để đảm bảo cho IC ADC 0809 hoạt động chính xác và ổn định. Chính vì vậy khi tìm hiểu thì tôi thấy không đơn thuần chỉ dùng nguồn 5V thông thường mà cần phải tạo cho nó một nguồn tham chiếu ổn định . Cách kiểm tra nguồn có ổn định hay không cũng rất đơn giản, dùng dao động ký do nguồn này, chỉnh TIME/DIV ở mức nhỏ, nếu mà thấy đáp ứng trên dao động ký (đường thẳng ) không bị gợn sóng thì chứng tỏ mạch điện áp tham chiếu của chúng ta hoạt động tốt . Sau đây là sơ đồ mạch: Hình 3.27 Sơ đồ mạch VREF dùng IC LM741 . LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 55 Đây là một mạch khá đơn giản và phổ biến dùng để làm mạch điện áp tham chiếu cho IC ADC 0809 dùng 1 IC LM741, 1 điện trở và 1 biến trở . Sau đây là sơ đồ chân của IC LM741: Hình 3.28 Hình dạng bên ngoài của IC LM741 . LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 56 Ráp mạch hoàn chỉnh và điều chỉnh biến trở về mức điện áp mong muốn . Sau đây là mạch thực tế thực hiện được : Hình 3.29 Mạch VREF thực tế thực hiện được . Điều chỉnh biến trở sao cho được giá trị 5V, qua khảo sát bằng giao động ký với TIME/DIV nhỏ thì thấy hình ảnh đường đáp ứng vẫn rất phẳng . 3.5.4 Sơ đồ mạch reset cho 8051 . Mạch reset của IC 8051 có tác dụng tự động reset, bằng cách giữ chân reset reset ở mức cao ít nhất 2 chu kỳ máy rồi trả nó về mức 0. Sơ đồ mạch rất đơn giản chỉ gồm 1 tụ 10 µF và một điện trở 8.2 kΩ . Sơ đồ mạch mắc như hình vẽ, được nối với IC 8051 như trên . LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 57 Hình 3.30 Sơ đồ mạch reset kết nối với IC 8051 . 3.5.5 sơ đồ mạch hiển thị dùng LED bảy đoạn . Mạch hiển thị LED 7 đoạn dùng IC 74LS247 để giải mã số BCD sang LED 7 đoạn, Dùng điện trở hạn dòng khoảng 470 Ω . Sơ đồ chân của IC 74LS247: LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 58 Hình 3.31 Sơ đồ chân của IC 74LS04 . Sơ đồ mạch hiển thị: Hình 3.32 Sơ đồ mạch hiển thị dùng IC 74LS04 . LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 59 Sau đây là sơ đồ mạch thực tế thực hiện được: Hình 3.33 Mạch hiển thị dùng LED 7 đoạn thực tế thực hiện được . LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 60 3.5.6 Tính toán công suất cho đèn chiếu dùng led super bright . Ví lý do thời gian hoàn thành đề tài nên trong phạm vi đề tài này nên việc tính toán chỉ dừng lại ở việc tính toán công suất nhằm đáp ứng đủ công suất chiếu lên da em bé . Ngoài ra việc tính toán và mô phỏng phân bố công suất trong một khoảng không gian là công việc rất phức tạp, cần rất nhiều thời gian và các công cụ mô phỏng nên trong pham vi đề tài tôi chỉ tạm dừng tới việc tính toán công suất mà thôi . 3.5.6.1 Chuyển đổi cường độ sáng . - Bảng thông số đơn vị : Hình 3.34 Bảng thông số đơn vị [5]. - Công thức chuyển đổi [5]: (photometric unit) = (radiometric unit) * Km * V(λ) LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 61 Trong đó : V(λ) thường gọi là “khả năng phát sáng “ là một hàm theo bước sóng ánh sáng. Km = 683 lm/w [5] V(λ) có thể tìm bằng cách dò trong bảng sau : Hình 3.35 Bảng hệ số khả năng phát sáng [5] Từ datasheet của LED superbright ta thấy đỉnh b ước sóng của ánh sáng LED phát ra l à 472 nm ≈ 470 nm, tra bảng ta được V(λ) = 0.091, Từ đó tính toán cường độ sáng phát ra của LED super bright LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 62 Hình 3.36 Phân bố góc phát xạ [6] Cường độ sáng của đèn Led Iv = 2500 mCd = 2500 mLm/sr ( 1cd = 1lm/sr) Ở đây , nguồn là đèn Led có góc mở 450 => Iv = 2500 mLm/sr = 2500 mLm Theo công thức chuyển đổi ta có : Iv = I *Km *V(λ) Từ đó ta suy ra: I = Iv / (Km* V(λ)) = 2500/ 683*0.091 = 40,2233 mW 2500lm/sr = 40,2233mW/sr góc mở Hình 3.37 Góc mở của đèn LED LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 63 Theo datasheet : Đèn led có góc m ở 450 và đường kính 5cm. Khoảng cách từ dàn đèn đến bệnh nhân theo như các tài liệu là không quá 50 cm nhưng thông thường thì khoảng cách này thường là 30-35cm và có cường độ sáng tại vị trí bệnh nhân là : 30 W/cm2/nm [7]. Diện tích chiếu sáng ở khoảng cách L = 30 cm là : S’ = П . R2 =  . (L tang 22.50 )2 = 3.14 . ( 30 .tg22.5 )2 = 484,865 cm2 . Cường độ sáng tại một điểm : E = I / S’ = 0.083 mW/cm 2 . Từ đó : E’ = 30 . 470 = 14100 W/cm2 = 14,1 mW/cm2 . Theo nguyên lý chồng chập , khi ánh sáng dàn đèn chiếu vào bệnh nhân thì cường độ sáng tại một điểm sẽ tính bằng : E’ = 1 n E => n = E’/E = 169.8  170 LED super bright . Vậy số đèn LED cần dùng : 170 con LED super bright . 3.5.6.2 Tính toán nguồn cung cấp cho dàn đèn . Để một đèn led sáng bình thường ta cần dòng chuẩn là 20mA . Dàn đèn có khoảng 170 con , mắc song song . Như vậy dòng tối thiểu qua dàn đèn phải là : 20 * 170 = 3,4 A . Như vậy nguồn cung cấp phải đáp ứng 2 điều kiện sau : Ung = 5V Ing = 3,4 A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 64 Từ đó ta chọn nguồn cho thích hợp, vì lý do thời gian thực hiện đề tài và kinh tế nên em chọn dùng một bộ nguồn cung cấp cho vi tính, nguồn vi tính đáp ứng được yêu cầu này chỉ cần một nguồn vi tính công xuất thấp, các bộ nguồn này mua ở các tiệm bán linh kiện vi tính cũ có giá rất kinh tế khoảng từ 30.000 VND đến 50.000VND. Nếu ta lắp bột nguồn mới có công xuất đáp ứng yêu cầu thì chắc chắn sẽ mắc hơn và làm tốn thời gian, chưa kể trong quá trình làm còn hư hỏng..v.v Hình 3.38 Nguồn máy tính . 3.5.6.3 Tính toán trở hạn dòng. + Dùng 1 trở hạn dòng cho cả dàn đèn . Ta có công thức tính trở : Ohm's = ( Điện áp nguồn – điện áp trên LED ) / Dòng qua LED Trong đó : -Điện áp nguồn = 5V . LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 65 -Điện áp trên LED = 3V . -Dòng qua dàn đèn LED = 3,4 A . Từ đó ta suy ra: R= (5- 3)/ 3,4 = 0,588 ohm . Điện trở chính thức chọn cho dàn đèn dựa trên Linh kiện sản xuất là : R ( 1ohm , 11,6W ) . Như vậy điện trở hạn dòng cho dàn đèn LED là : 1 ohm , 11,6 W . Điện trở có công xuất cao như thế này rất khó kiếm, hơn nữa qua quá trình tiềm kiếm thì em thấy không có trên thị trường. Chính vì vậy em chuyển sang cách thứ 2 là dùng điện trở hạn dòng trên từng con LED, cách này hay hơn bởi vì nó có điện trở bảo vệ trên từng con LED, tăng độ an toàn trên từng con LED góp phần bảo vệ dàn đèn và tăng tuổi thọ cho dàn đèn. Hình 3.40 Minh họa tính trở hạn dòng dùng một điện trở duy nhất . LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 66 + Dùng 1 trở hạn dòng cho 1 đèn LED . Điện áp nguồn = 5V . Điện áp trên LED = 3V. Dòng qua dàn đèn LED = 3,4 A . Từ đó ta suy ra: R = (5-3)/20 = 100 ohm . Như vậy : Mỗi đèn Led cần cung cấp 1 trở hạn dòng R ( 100ohm , 1/8 W). Cách này có ưu điểm là có khả năng bảo vệ dàn đèn tốt hơn cách thứ nhất, bởi vì khi trục trặc gì ở bộ phận relay thì luôn luôn có điện trở bảo vệ nên sẽ LED sẽ được an toàn. Hình 3.41 Minh họa tính trở hạn dòng cho mỗi led LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 67 3.5.6.4 Các phương pháp điều chỉnh cường độ sáng. Có rất nhiều phương pháp chỉnh cường độ sáng để nhằm mục đích đạt được cường độ sáng mong muốn trên da em, việc cần phải làm là cần phải tìm phương pháp nào phù hợp nhất. Trong quá trình nghiên cứu thì em thấy có nguyên lý điều chỉnh cường độ sáng dựa vào cách điều chỉnh điện áp hoặc cường độ dòng điện. Nhưng đơn giản hơn cả là phương pháp thay đổi cường độ dòng điện, bằng cách thay đổi biến trở. Có một cách nữa đó là ta sẽ thiết kế một dàn đèn có khả năng tắt từng cụm đèn, hoặc bật từng cụm đèn, khi không đủ công xuất chiếu thì dàn đèn sẽ tắt hoặc bật từng cụm đèn nhằm bảo đảm rằng cường độ sáng trên da em bé luôn ở trong khoảng mong muốn. Nhưng cách tắt từng cụm tuy đơn giản nhưng có nhược điểm là khi tắt hoặc mở các cụm đèn thì sẽ ảnh hưởng tới sự phân bố ánh sáng trên em bé, bởi vì khi tắt như vậy thì vị trí các bóng sáng và tắt sẽ thay đổi vị trí, hay nói cách khác là v ị trí nguồn sáng thay đổi chính vì thế người thiết kế cần phải tính toán sao cho khi tắt các bóng đèn này thì các bóng đèn này vẫn đảm bảo phân bố cường độ sáng. Điều này thực sự rất khó trong thực tế là phải hoàn thành báo cáo đúng hạn. Chính vì thế tôi chuyển sang dùng phương pháp thay đổi cường độ dòng điện, trong phương pháp này nguyên lý chủ yếu là thay đổi điện trở làm tăng hay giảm cường độ dòng điện. Đầu tiên khi chọn cách dùng biến trở, tôi chọn cách dùng động cơ bước để thay đổi giá trị điện trở, nhưng qua một thởi gian nghiên cứu thì thấy cách này có một số nhược điểm là: + Làm cho chương trình điều khiển phức tạp vì cần phải có thêm chương trình điều khiển động cơ bước, điều này không tốt vì khi thêm chương trình điều khiển động cơ bước sẽ chiếm dụng thêm bộ nhớ nội và các thanh ghi trong IC 8051, nếu xử lý không tốt sẽ gây ảnh hưởng tới chương trình chính. + Không có lợi về mặt kinh tế. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 68 + Phức tạp về mặt cơ khí. Vì vậy do thời gian hoàn thành đề tài mà tôi chọn cách dùng tắt mở các relay, các relay này được nối với các điện trở hạn dòng, khi tắt mở các relay này nó sẽ nối tắt hoặc cho dòng qua điện trở hạn dòng, từ đó sẽ thay đổi giá trị điện trở hạn dòng dẫn đến cường độ dòng điện thay đổi làm thay đổi cường độ sáng phát ra của dàn đèn. Nhưng chúng ta cần phải tính toán giá trị điện trở hạn dòng, và giá trị điện trở các mức biến đổi sao cho hợp lý để cho sự thay đổi cường độ sáng của dàn đèn ở mức hợp lý nhất. Sau đây là sơ đồ mạch: Hình 3.42 Sơ đồ mạch dàn đèn dùng các điện trở để hạn dòng . LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 69 Hình 3.43 Mạch hạn dòng dùng relay . Hình 3.44 Điện trở công xuất dùng để hạn dòng . LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 70 Hình 3.45 Mô hình dàn đèn (phía trước) . Hình 3.46 Mô hình dàn đèn ( bên hông ) . LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 71 Hình 3.47 Mô hình dàn đèn ( phía sau ) . Các điện trở hạn dòng được lấy giá trị theo các trọng số như trong số binary, khi đó chỉ cần dùng N relay thì ta có thể thay đổi 2N giá trị của điện trở. Lúc đó chỉ cần tính toán mỗi một bước giá trị điện trở sao cho hợp lý nhất. Qua quá trình tính toán và thực nghiệm em chọn các điện trở hạn dòng lần lượt là : 0.5 Ω, 1 Ω, 2 Ω . Nhưng các điện trở này có cổng phải lớn nếu không thì dòng qua lớn quá thì sẽ bị hư. Ta tắt mở các relay này theo nguyên tắt tăng dần của số nhị phân, thì chỉ cần 3 giá trị ta có thể thay đổi được 23 = 8 mức giá trị điện trở. Từ đó ta có thể dùng những sự thay đổi này để điều khiển các dàn đèn. Sau đây là một số hình ảnh mô tả phần cứng thực hiện được: LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 72 Hình 3.48 Dàn đèn lúc tắt ánh sáng bên ngoài . LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 73 Hinh 3.49 Ánh sáng dàn đèn phát ra khi ở điều kiện ánh sáng ban ngày . LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 74 Hình 3.50 Ánh sáng phát lên da LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 75 Hình 3.51 Sơ đồ mạch chính gồm 8051, IC ADC 0809, mạch nguồn, mạch xung clock, VREF. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 76 Hình 3.52 Sơ đồ layout của mạch chính mạch chính gồm 8051, IC ADC 0809, mạch nguồn, mạch xung clock, VREF. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 77 Hình 3.53 Mạch chính gồm 8051, IC ADC 0809, mạch nguồn, mạch xung clock, VREF. Hình 3.54Nhận tín hiệu từ bên ngoài qua ADC và hiển thị lên LED 7 đoạn LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 78 Hình 3.55 Sensor BPW21R Hình 3.56 Sơ đồ layout của mach khuếch đại 3.6 Lưu đồ chương trình điều khiển LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 79 Gọi chương trình hiểnthị giá tri nhận từ sensor begin Gán các biến chương trình trong ram nội So sánh ngưỡng Gọi chương trình chuyển đổi ADC khởi động bộ định thời Nạp các giá trị cài đặt trong ram nội ban đầu So sánh giá trị cài đặt và nhận về So sánh ngưỡng Hiển thi giá trị cài đặt End < Tăng cường độ dàn đèn Giảm cường độ dàn đèn Gọi chương trình quét phím nhấn cài đặt < < ≥ ≥ ≥ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 80 3.7 Cân chỉnh thiết bị đo cường độ sáng . Khi bất cứ thiết bị nào được hoàn thành thì chuyện cân chỉnh thiết bị vô cùng quan trọng bởi vì khi thiết bị hoàn thành thì có rất nhiều lý do làm cho thiết bị của chúng ta hoạt động không chính xác, nhất là những thiết bị mang tính chất đo lường đòi hỏi tính chính xác . Có rất nhiều nguyên nhân làm cho thiết bị hoạt động không chính xác, điều có thể dể dàng nhận thấy đầu tiên đó là vấn đề linh kiện, linh kiện của chúng ta không hoàn toàn là đồng nhất về chất lượng, chính vì vậy một điều thường xảy ra đó là 2 chiếc máy cùng được ráp bằng những linh kiện cùng nguồn gốc cùng sơ đồ mạch nhưng lại khác nhau khi cùng hoạt động, chính vì vậy mà khi thiết kế người thiết kế cần chú ý tới điều này. Sau khi hoàn thành thiết bị thì cần phải qua khâu cân chỉnh nhằm làm cho các thiết bị tương đối đồng nhất khi đưa ra thị trường . Trong quá trình nghiên cứu và tìm hiểu vấn đề cân chỉnh và chuẩn hóa thiết bị thì tôi thấy để chuẩn thiết bị đo cường độ sáng thì cần phải có một thiết bị chuẩn để chuẩn hóa thiết bị, thiết bị này thông thường rất mắc tiền và rất hiếm. Chính vì vậy, trong phạm vi đề tài này tôi chỉ có thể chuẩn hóa theo những thiết bị mà tôi có thể có . Thiết bị mà tôi dùng để chuẩn hóa theo đó là thiết bị đo cường độ sáng của hãng BIO- TEK Phototheraphy radiometer 450nm -Model 74345 . Thiết bị này hiện nay được dùng để kiểm tra cường độ sáng của dàn đèn ở bệnh viện nhi đồng I, thiết bị đo cường độ sáng này đo ánh sáng có bước sóng ở đỉnh là 450nm . Chính vì vậy, với bước sóng như vây thì thiết bị BIO-TEK Phototheraphy radiometer hoàn toàn có khả năng đáp ứng bước sóng đèn LED mà tôi dùng để thiết kế dàn đèn . LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 81 Hình 3.57 hình dạng bên ngoài của BIO-TEK Phototheraphy radiometer (khi chưa chiếu đèn) . Cách chuẩn hóa thiết bị như sau: Như đã nói ở trên, dãy phổ của sensor thu nhận nằm trong khoảng từ 420 nm – 675 nm có đỉnh ở bước sóng 565 nm và phổ của ánh sáng đèn LED super bright là từ 420 nm – 550 nm và có đỉnh là 472 nm. Chính vì vậy ánh sáng phát ra có bước sóng hoàn toàn nằm trong khoảng của sesor mà tôi chọn, hơn nữa trong khoảng bước sóng này thì tương đối tuyến tính. Từ đó khi tiến hành chuẩn thiết bị thì cần phải chuẩn cận trên (cực đại ) và cận dưới (cực tiểu ). LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 82 Cách tiến hành chuẩn hóa cận trên và dưới đều tuân theo một nguyên tắc đó là đặt thiết bị cần chuẩn và BIO-TEK Phototheraphy radiometer cùng trong điều kiện như nhau, sau đó ta chỉnh cho thiết bị cần chuẩn hiển thị giá trị đúng bằng giá trị mà thiết bị BIO-TEK Phototheraphy radiometer hiển thị Chuẩn cận dưới ta cho hai thiết bị ở trong phòng tối hoàn toàn, lúc đó ta chỉnh cho thiết bị cần chuẩn hiển thị giá trị 0 Chuẩn cận trên thì ta cho hai thiết bị trong cùng một môi trường sáng và điều chỉnh cho thiết bị cần chuẩn hiển thị đúng bằng giá trị mà thiết bị BIO-TEK phototheraphy radiometer hiển thị. Hình 3.58 Test cường độ dàn đèn tôi thiết kế với máy BIO-TEK Phototheraphy radiometer . LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 83 Hình 3.59 Cường độ sáng đổi khi thay đổi khoảng cách giữa dàn đèn và BIO- TEK Phototheraphy radiometer . LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP www.bme.vn Huỳnh Thế Hoàng : Email : hoangche2003@yahoo.com 84 Hinh 3.60 khi quá gần thì cường độ sáng vượt tầm.