Thiết bị y tế và tầm quan trọng trong cuộc sống hiện đại – máy phân tích sinh hóa
Điện tử y sinh, đặc biệt là cơ điện tử y sinh, là lĩnh vực có nhiều ứng dụng nhân văn trong kỹ thuật điện tử, cơ khí và công nghệ máy tính Các thiết bị y tế ngày càng được đầu tư nhiều hơn, vì vậy việc nắm vững khoa học công nghệ trong lĩnh vực này là rất quan trọng trong thời điểm hiện tại.
Ngành cơ điện tử y sinh đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng cuộc sống con người Nó không chỉ phát triển mạnh mẽ mà còn nhanh chóng thích ứng với những yêu cầu ngày càng cao của xã hội.
Trong bối cảnh xã hội Việt Nam không ngừng phát triển, thập niên 90 được xem là thời kỳ của điện tử, trong khi những năm đầu thế kỷ 21 đánh dấu sự bùng nổ của công nghệ thông tin Đến thập niên 2010, sản phẩm chăm sóc sức khỏe trở thành xu hướng nổi bật, phản ánh sự quan tâm ngày càng tăng của người dân đối với sức khỏe và chất lượng cuộc sống.
Chúng ta đã vượt qua giai đoạn "chạy ăn từng bữa" và "ăn đủ no, mặc đủ ấm", hiện đang tiến tới giai đoạn "ăn ngon mặc đẹp" Khi cuộc sống cải thiện, con người ngày càng chú trọng đến sức khỏe và thẩm mỹ Xu hướng này cho thấy khi đạt được sự thỏa mãn, chúng ta mong muốn sự bền vững, đặc biệt là trong sức khỏe Với đời sống cao, con người càng trân trọng bản thân và sức khỏe của mình hơn.
Khám sức khỏe định kỳ là cách hiệu quả để phòng ngừa và phát hiện sớm nhiều bệnh tật Mỗi loại bệnh đều có những nguyên nhân tiềm ẩn ảnh hưởng đến sức khỏe trước khi biểu hiện thành triệu chứng Do đó, việc thực hiện khám sức khỏe thường xuyên rất cần thiết.
Xét nghiệm sinh hóa cung cấp cái nhìn sâu sắc về tình trạng sức khỏe cá nhân, giúp kiểm soát và điều trị bệnh hiệu quả Điều này không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn giảm thiểu nguy cơ biến chứng không mong muốn cho người bệnh.
Dựa trên kết quả tổng quan về sức khỏe, chúng ta có thể điều chỉnh chế độ ăn uống, dinh dưỡng, lối sống và thời gian làm việc một cách hợp lý, từ đó cải thiện chất lượng đời sống một cách hiệu quả hơn.
Xét nghiệm không chỉ là công cụ sàng lọc bệnh mà còn đóng vai trò quan trọng trong chẩn đoán của bác sĩ Đặc biệt đối với các bệnh lý như tim mạch, đái tháo đường, gan và thận, kết quả xét nghiệm sinh hóa có ý nghĩa quyết định; chỉ cần sai lệch nhỏ có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe bệnh nhân Do đó, cần có thiết bị y tế đáng tin cậy để phân tích sinh hóa từ mẫu máu, nước tiểu và huyết tương Điều này đã thúc đẩy sự phát triển của nhiều hãng sản xuất thiết bị y tế, đặc biệt là các máy phân tích sinh hóa tự động như HITACHI, SEIMEN và OLYMPUS.
Lịch sử phát triển và hình thành
Máy phân tích sinh hóa tự động là thiết bị y tế hiện đại được sử dụng trong phòng thí nghiệm, có khả năng đo lường nhanh chóng nhiều loại hóa chất và đặc tính của hàng loạt mẫu thử sinh học Thiết bị này hoạt động với sự can thiệp tối thiểu từ con người, giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong quá trình phân tích.
Máy có khả năng phân tích máu và các chất lỏng có thể hỗ trợ cho việc chuẩn đoán bệnh tật
Máy phân tích sinh hóa đầu tiên mang tên “Robot Chemist” được phát minh bởi nhà sinh lý học Mỹ Hans Baruch và ra mắt thương mại vào năm 1959 Tuy nhiên, đây chỉ là khởi đầu trong lĩnh vực kinh doanh, vì máy này chỉ có khả năng xử lý từng mẫu thử riêng lẻ.
Vào năm 1957, Tiến sĩ Leonard Skeggs đã giới thiệu công nghệ "phân tích dòng liên tục" (CFA) vào máy phân tích sinh hóa, tạo ra một sản phẩm tự động hóa tiên tiến.
Một ion thông thường được đo bằng một module ISE, đây là module mà cho phép các ion di chuyển qua đó đo được điện áp khác nhau [3]
Enzym có thể được đo thông qua việc đánh giá màu sắc quang phổ, trong khi các xét nghiệm khác yêu cầu sự thay đổi của sắc kế để xác định nồng độ của chất hóa học.
Tính thời sự của đề tài
Gần đây, Đài truyền hình Việt Nam đã đưa tin về việc Bệnh viện đa khoa Thường Tín bị xử phạt hành chính do sử dụng máy xét nghiệm sinh hóa lỗi thời và hư hỏng, dẫn đến việc cung cấp kết quả xét nghiệm sai lệch Đoàn công tác liên ngành, bao gồm Cục Cảnh sát phòng chống tội phạm về môi trường, Sở Y tế Hà Nội và Công an huyện Thường Tín, đã tiến hành kiểm tra và xử lý vụ việc này.
Vào ngày 16 tháng 12 năm 2013, theo thông tin từ báo điện tử vov.vn, Đội kiểm soát chống buôn lậu miền Bắc thuộc Cục Điều tra chống buôn lậu - Tổng cục Hải quan đã triệt phá một đường dây chuyên nhập khẩu thiết bị y tế quá đát của Công ty TNHH Kỹ thuật thiết bị y tế Bảo Trân, có địa chỉ tại số 19, 180/2, đường Trần Duy Hưng, Hà Nội.
Vào ngày 3/1/2014, Chi cục Hải quan cửa khẩu sân bay Quốc tế Nội Bài đã phối hợp với Cục Điều tra chống buôn lậu thuộc Tổng cục Hải quan để kiểm tra lô hàng của Công ty TNHH Thương mại và Kinh doanh thiết bị y tế A.N.N.A Trong quá trình kiểm tra, họ phát hiện một chiếc máy xét nghiệm sinh hóa tự động Hitachi 917 nhập khẩu cùng các thiết bị đi kèm đã qua sử dụng.
Việc sử dụng máy phân tích xét nghiệm sinh hóa cũ, không đảm bảo chất lượng và không rõ nguồn gốc sẽ dẫn đến những sai lầm nghiêm trọng trong kết quả xét nghiệm Bệnh nhân là người phải gánh chịu hậu quả nặng nề nhất, khi mà những kết quả không chính xác và chậm trễ sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình khám chữa bệnh của họ.
Sự gia tăng số lượng bệnh tật có thể dẫn đến tình trạng quá tải trong hệ thống y tế, từ đó gây ra những kết quả chẩn đoán sai lệch Dù bác sĩ có chuyên môn cao, họ vẫn có thể đưa ra những phác đồ điều trị không chính xác, kéo theo nhiều hệ lụy nghiêm trọng Trong bối cảnh này, chúng ta chỉ tập trung vào ảnh hưởng đến sức khỏe của người bệnh và thời gian khám bệnh.
Phạm vi và mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Trong bối cảnh nhập lậu máy cũ và máy kém chất lượng, việc nghiên cứu và chế tạo máy sinh hóa mang nhãn mác Việt Nam sẽ giúp tự chủ trong cung ứng thiết bị y tế, giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu Máy phân tích sinh hóa tự động nhập khẩu có giá thành cao mặc dù không phải chịu nhiều thuế Hải quan Hơn nữa, việc sản xuất trong nước sẽ góp phần giải quyết tình trạng máy xét nghiệm giả, nhân bản kết quả và tình trạng nhập máy đã qua sử dụng.
Nghiên cứu và thiết kế máy phân tích cần được thực hiện một cách khoa học và có lộ trình rõ ràng, tránh sự vội vàng Sự hợp tác giữa nhiều ngành nghề khác nhau là điều cần thiết để đảm bảo hiệu quả của quá trình này.
Mục tiêu của bài viết này là thiết kế và tính toán phần cơ khí, đồng thời phát triển hệ thống điều khiển điện tử tự động cho cụm máy trong máy phân tích sinh hóa tự động, cụ thể là cụm thuốc thử Điều này sẽ tạo nền tảng để mở rộng và phát triển các bộ phận khác của một máy hoàn chỉnh trong tương lai.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Truyền động vít – đai ốc
Truyền động vít - đai ốc là cơ cấu chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tiến, sử dụng vít trượt hoặc vít lăn Loại truyền động này được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật như dụng cụ chính xác, thiết bị tải nặng trong cơ cấu ép và cần trục Mặc dù có kết cấu đơn giản, gọn gàng và khả năng tải lớn với độ di chuyển chính xác, nhưng truyền động vít - đai ốc cũng gặp phải một số vấn đề như tổn thất ma sát cao, hiệu suất thấp và nguy cơ mòn tăng theo thời gian.
Khi chọn sơ đồ động cho truyền động vít – đai ốc, cần dựa vào yêu cầu sử dụng và bố trí kết cấu Các phương án bao gồm vít quay đai ốc tịnh tiến, vít vừa quay vừa tịnh tiến, và đai ốc cố định.
Truyền động vít – đai ốc có thể được phân loại thành hai loại chính dựa trên ma sát: truyền động ma sát trượt và truyền động ma sát lăn Truyền động ma sát trượt xảy ra khi các bề mặt tiếp xúc trượt lên nhau, trong khi truyền động ma sát lăn liên quan đến sự lăn trơn tru của các bộ phận.
Khác với ren lắp ghép sử dụng trong bulong và vít, vít cấy yêu cầu độ bền cao hơn Trong hệ thống truyền động vít – đai ốc, để đảm bảo ma sát nhỏ, người ta thường sử dụng ren có profin nhỏ, thường là ren hình thang cân với góc α = 30 độ Loại ren này có khả năng tiếp nhận tải trọng dọc trục lớn, rất phù hợp cho các truyền động đảo chiều có tải.
Vít tải chịu lực dọc trục lớn thường sử dụng ren răng cưa để đảm bảo hiệu suất Trong một số ứng dụng như kích vít và máy ép, ren hình vuông được ưa chuộng hơn do có hiệu suất cao hơn, mặc dù độ bền của nó thấp hơn so với ren hình thang Tuy nhiên, ren hình vuông có nhược điểm về công nghệ, không thể gia công cuối bằng phay hoặc mài, và khi bị mòn, nó tạo ra khe hở dọc trục khó khắc phục.
Chọn vật liệu vít và đai ốc người ta dựa vào công dụng của bộ truyền, điều kiện làm việc và phương pháp gia công ren để chọn
Vít được chế tạo từ thép 45, 50, trong khi vít nhiệt luyện thường sử dụng thép tôi 65 Mn, 40Cr, 40CrMn hoặc thép thấm nitơ như thép 18CrMnTi, với khả năng chịu mòn cao và ít biến dạng khi nhiệt luyện Để giảm ma sát và mòn ren, đai ốc thường được làm từ các loại đồng thanh như đồng thanh thiếc, đồng thanh thiếc – chì – kẽm và đồng thanh nhôm – sắt hoặc gang để giảm ma sát Để tiết kiệm chi phí, đai ốc thường được chế tạo bằng hai kim loại.
Truyền động đai
Truyền động đai là phương pháp hiệu quả để truyền động giữa các trục ở khoảng cách xa Hệ thống này sử dụng đai được mắc lên hai bánh và có lực căng ban đầu F0, từ đó tạo ra lực ma sát trên bề mặt tiếp xúc giữa đai và bánh đai Lực ma sát này đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải trọng một cách ổn định.
Nhờ đai có độ dẻo, bộ truyền làm việc êm, không ồn, thích hợp với vận tốc lớn
Chỉ tiêu về khả năng làm việc của truyền động đai là khả năng kéo và tuổi thọ của đai
Thiết kế truyền động đai bao gồm các bước:
Xác định các kích thước và thông số bộ truyền
Xác định các thông số của đai theo chỉ tiêu về khả năng kéo của đai và về tuổi thọ
Xác định lực căng đai và lực tác dụng lên trục
Đai được phân loại theo hình dạng tiết diện thành các loại như đai dẹt, đai thang, đai nhiều chêm và đai răng Đai răng là loại đai dẹt được chế tạo thành vòng kín, với các răng ở mặt trong Khi tiếp xúc với bánh đai, đai răng sẽ ăn khớp với các răng trên bánh, tạo nên sự kết nối chắc chắn.
Đai răng là một loại truyền động đai có ưu điểm nổi bật như không bị trượt, tỷ số truyền lớn (u ≤ 12, đôi khi u < 20) và hiệu suất cao Loại đai này không yêu cầu lực căng ban đầu lớn, đồng thời lực tác dụng lên trục và ổ cũng nhỏ Đai răng được chế tạo từ cao su trộn với nhựa nairit hoặc đúc từ cao su poliuretan, với lớp chịu tải chủ yếu là dây thép, sợi thủy tinh hoặc sợi poliamit Đường kính dây thép thường dao động từ 0,3 đến 0,4 mm, phù hợp với các đai có module m.
Đai răng bằng cao su nhân tạo với cốt dây kim loại thường có kích thước từ 2 đến 4 mm và 0,65 đến 0,8 mm cho các kích thước 4, 5, 7 và 10 mm Lớp cốt cứng và bền giúp duy trì bước của đai không bị thay đổi Để tăng cường độ bền mòn của răng, người ta thường phủ thêm lớp vải nilon.
Mô đun là thông số cơ bản của đai răng
Độ bền của răng đai là chỉ tiêu quan trọng nhất đánh giá khả năng làm việc của truyền động đai răng Yếu tố này chủ yếu phụ thuộc vào độ bền của cao su và khả năng bám dính của cao su vào cốt, cùng với các đặc trưng hình học của răng đai và bánh đai.
Chọn động cơ
Việc chọn động cơ điện cho máy móc và thiết bị công nghệ là bước quan trọng trong thiết kế máy Đặc biệt, khi sử dụng hộp giảm tốc và động cơ biệt lập, việc lựa chọn động cơ phù hợp sẽ ảnh hưởng lớn đến thiết kế hộp giảm tốc và các bộ truyền liên quan Để chọn đúng động cơ, cần hiểu rõ đặc tính và phạm vi sử dụng của từng loại, đồng thời chú ý đến yêu cầu làm việc cụ thể của thiết bị Động cơ điện một chiều (kích từ mắc song song, nối tiếp hoặc hỗn hợp) và hệ thống động cơ - máy phát (dùng dòng điện kích từ điều chỉnh) cho phép điều chỉnh moment và vận tốc góc trong khoảng rộng, đảm bảo khởi động êm, hãm và đảo chiều dễ dàng.
8 dàng, do đó được dùng rộng rãi trong các thiết bị vận chuyển bằng điện, thang máy, máy trục, các thiết bị thí nghiệm …
Một trong những nhược điểm của các hệ thống này là chi phí cao, đặc biệt là đối với động cơ điện một chiều, vốn khó tìm kiếm Ngoài ra, việc lắp đặt các thiết bị chỉnh lưu cũng đòi hỏi một khoản đầu tư bổ sung.
Chọn động cơ điện tiến hành theo các bước sau đây:
Tính công suất cần thiết của động cơ
Xác định sơ bộ số vòng quay của động cơ
Để lựa chọn kích thước động cơ phù hợp với yêu cầu thiết kế, cần dựa vào công suất, số vòng quay đồng bộ, các yêu cầu về quá tải, moment mở máy và phương pháp lắp đặt động cơ.
Hộp giảm tốc
Trong hệ thống dẫn động cơ khí, hộp giảm tốc thường sử dụng bộ truyền bánh răng hoặc trục vít dưới dạng tổ hợp biệt lập.
Hộp giảm tốc là một cơ cấu truyền động sử dụng phương pháp ăn khớp trực tiếp, có tỷ số truyền cố định, giúp giảm vận tốc góc và tăng mô-men xoắn.
Tùy theo tỷ số truyền chung của hộp giảm tốc, người ta phân ra: hộp giảm tốc một cấp và hộp giảm tốc nhiều cấp
Hộp giảm tốc được phân loại theo loại truyền động, bao gồm hộp giảm tốc bánh răng trụ, bánh răng côn, côn – trụ, trục vít, trục vít – bánh răng, bánh răng - trục vít, bánh răng hành tinh, bánh răng sóng và động cơ - hộp giảm tốc Thiết bị này được ứng dụng phổ biến trong các ngành cơ khí, luyện kim, hóa chất và công nghiệp đóng tàu.
2.4.1 Hộp giảm tốc hình trụ: Được dùng rộng rãi hơn cả nhờ các ưu điểm: tuổi thọ và hiệu suất cao, kết cấu đơn giản, có thể sử dụng trong một phạm vi rộng của vận tốc và tải trọng
Trong hộp giảm tốc, loại răng có thể là răng thẳng, nghiêng hoặc chữ V Hầu hết các hộp giảm tốc sử dụng răng nghiêng do khả năng tải lớn hơn và tốc độ làm việc cao hơn so với răng thẳng Bánh răng chữ V ít được sử dụng hơn do quá trình chế tạo phức tạp, thường chỉ áp dụng trong trường hợp tải nặng và khi không cho phép lực dọc trục lớn tác động lên ổ Số cấp của hộp giảm tốc được lựa chọn dựa trên tỷ số truyền chung của hộp.
Hộp giảm tốc bánh răng trụ một cấp là lựa chọn lý tưởng cho tỷ số truyền u ≤ 7 ÷ 8 Khi sử dụng tỷ số truyền lớn hơn, kích thước và khối lượng của hộp giảm tốc một cấp sẽ tăng lên so với hộp giảm tốc hai cấp.
Hộp giảm tốc bánh răng trụ hai cấp là loại hộp giảm tốc phổ biến nhất, với tỷ số truyền thường dao động từ 8 đến 40 Loại hộp này có thể được bố trí theo các sơ đồ khác nhau như sơ đồ khai triển, sơ đồ phân đôi và sơ đồ đồng trục.
Hộp giảm tốc bánh răng trụ ba cấp được sử dụng khi tỷ số truyền u = 37 … 250, được bố trí theo sơ đồ khai triển hoặc phân đôi ở cấp, trung gian [10]
2.4.2 Hộp giảm tốc bánh răng côn và trụ côn: Được sử dụng khi cần truyền moment xoắn và chuyển động quay giữa các trục giao nhau, góc giữa các trục thường là 90 0 Khi tỷ số truyền u ≤ 3 dùng bánh răng côn răng thẳng, với tỷ số truyền lớn hơn (u ≤ 6) thường sử dụng bánh răng côn răng nghiêng hoặc răng cung tròn
Khi cần truyền moment xoắn và chuyển động quay giữa các trục giao nhau nhưng với tỷ số truyền lớn hơn, người ta sử dụng hộp giảm tốc
10 bánh răng côn – trụ hai cấp hoặc ba cấp, trong đó chỉ bố trí cặp bánh răng côn ở cấp nhanh
Nhược điểm của hộp giảm tốc bánh răng côn – trụ là:
Giá thành chế tạo bánh răng côn thường cao hơn do yêu cầu sử dụng dao và máy móc chuyên dụng Ngoài việc đảm bảo dung sai về kích thước và hình dạng của răng, còn cần chú ý đến dung sai về góc giữa hai trụ để đảm bảo hiệu suất hoạt động của bánh răng.
Lắp ghép bộ truyền bánh răng côn gặp nhiều khó khăn do sự nhạy cảm với độ không trùng đỉnh của các cặp côn lăn Những sai số trong quá trình chế tạo và lắp ghép, cùng với biến dạng của trục dưới tải trọng và biến dạng nhiệt, đều ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Khối lượng và kích thước lớn hơn so với hộp giảm tốc bánh răng trụ [11]
2.4.3 Hộp giảm tốc trục vít: Được dùng để truyền chuyển động và moment xoắn giữa các trục chéo nhau
Hộp giảm tốc trục vít một cấp được dùng khi tỷ số truyền u=8…63, có thể được thiết kế với 4 dạng :
Hộp giảm tốc một cấp với trục vít đặt dưới bánh vít được sử dụng khi vận tốc vòng của trục vít v1 đạt từ 4 đến 5 m/s Để đảm bảo hiệu suất, cần bôi trơn khu vực ăn khớp bằng cách ngâm trục vít trong dầu Phương pháp này giúp giảm thiểu xác suất rơi của bột kim loại do mòn vào khu vực ăn khớp.
Hộp giảm tốc một cấp với trục vít đặt trên thích hợp khi vận tốc lớn hơn 5m/s, sử dụng phương pháp bôi trơn bằng cách ngâm bánh vít trong dầu Sơ đồ này giúp giảm thiểu mất mát do khuấy dầu từ trục vít quay nhanh, tuy nhiên, hiệu suất tỏa nhiệt qua dầu không tốt bằng Ngoài ra, cần có thiết bị riêng để bôi trơn ổ trục vít.
Hộp giảm tốc với trục vít thẳng đứng kết hợp với bánh vít lắp trên trục nằm ngang thường được dẫn động bởi động cơ có bích gắn trên vỏ hộp giảm tốc.
Hộp giảm tốc một cấp với trục vít nằm ngang kết hợp với bánh vít trên trục thẳng đứng được sử dụng để dẫn động các trục đứng trong cơ cấu làm việc.
Hộp giảm tốc bánh răng – trục vít và hộp giảm tốc trục vít – bánh răng được sử dụng khi tỷ số truyền u = 50 … 130, đặc biệt có thể lấy u = 480 [12]
Giải thuật điều khiển PID
Tên gọi PID được hình thành từ ba thành phần cơ bản: P (khâu khuếch đại tỷ lệ), I (khâu tích phân) và D (khâu vi phân) Mỗi khâu đảm nhận một nhiệm vụ riêng biệt, nhưng khi kết hợp lại, chúng tạo nên một hệ thống điều khiển hoàn hảo Khi nhắc đến PID, người ta ngay lập tức liên tưởng đến quy trình điều khiển.
Khâu P: thực hiện chính xác nhiệm vụ đặt ra
Khâu I: tích lũy kinh nghiệm để hoàn thành tốt nhiệm vụ
Khâu D: Phản ứng nhanh nhạy với điều kiện ngoại cảnh
Chỉ áp dụng cho hệ SISO
Hệ thống dẫn động cơ khí trong đề tài sử dụng động cơ DC tích hợp Encoder để điều khiển góc quay, giúp lựa chọn loại thuốc thử cần tìm một cách hiệu quả Việc áp dụng điều khiển PID trong hệ thống này đảm bảo độ chính xác và ổn định trong quá trình hoạt động.
Phương pháp Ziegler–Nichols
Phương pháp xác định các hệ số Kp, Ki, Kd trong điều khiển PID cho động cơ đã được giới thiệu bởi hai nhà khoa học vào năm Đây là một kỹ thuật quan trọng giúp tối ưu hóa hiệu suất điều khiển trong các hệ thống động cơ.
1940 Theo phương pháp này, hệ số Ki và Kd được đưa về không, tăng Kc từ
12 không đến khi đạt được một dao động điều hòa với một chu kỳ T cố định Lúc này Ki và Kd được tính như sau: [14]
Arduino
Trong việc điều khiển động cơ cho hệ thống cơ khí, bo mạch điều khiển đóng vai trò quan trọng và không thể thiếu Đề tài này sẽ sử dụng bo mạch Arduino Uno R3 làm thiết bị điều khiển chính.
Arduino sử dụng ba loại vi điều khiển 8 bit AVR, bao gồm ATMega8, ATMega168 và ATMega328, đóng vai trò là bộ não xử lý cho các tác vụ từ đơn giản đến phức tạp, và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
Arduino Uno có thể được cấp nguồn qua cổng USB với điện áp 5V, nhưng mức điện áp lý tưởng cho bo mạch này là từ 7 đến 12V, với giới hạn tối đa là 20V Việc cung cấp nguồn vượt quá 20V có thể gây hỏng bo mạch.
Một số lưu ý về sử dụng Arduino :
Không cắm ngược chân nguồn
Nếu không thông qua USB không được cấp trực tiếp nguồn vào dưới 6V
Không cấp điện áp lớn hơn 13V vào chân Reset
Cường độ dòng điện không quá 200mA , điện áp không vượt quá 5.5 V trên tất cả các chân tín hiệu
Phải mắc trở hạn dòng để truyền nhận dữ liệu [17]
Vi điều khiển ATMega 328 cung cấp: 32KB bộ nhớ Flash, 2KB SRAM, 1KB EEPROM [18]
Arduino Uno sở hữu 14 chân Digital để đọc và xuất tín hiệu, hoạt động với 2 mức logic là +5V và 0V, có dòng vào ra tối đa 40mA Mỗi chân đều được trang bị điện trở pull-up, tuy nhiên chúng không được kích hoạt mặc định.
Một số chân digital có chức năng đặc biệt:
2 chân truyền nhận dữ liệu Serial: 0(RX), 1(TX) để giao tiếp với thiết bị khác
Chân PWM : 3, 5, 6, 9, 10, 11 cho phép xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit [20]
Việc lập trình cho Arduino Uno bằng một ngôn ngữ riêng Và môi trường lập trình Arduino được gọi là Arduino IDE [21]
Mạch cầu H L298
Mạch cầu H L298 có chức năng điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ DC một cách hiệu quả và dễ dàng Bên cạnh đó, driver này còn tích hợp IC, mang lại sự tiện lợi trong việc điều khiển động cơ.
7805 để tạo ra nguồn 5V cấp cho các thiết bị khác
Driver này tích hợp hai mạch cầu H, cho phép điều khiển hai động cơ DC với điện áp điều khiển từ +5V đến +35V Dòng tối đa đạt 2A, trong khi điện áp tín hiệu điều khiển nằm trong khoảng 5V đến 7V và dòng tín hiệu là từ 0 đến 36mA.
Chân 1,2 là nối vào 2 chân nguồn cấp động cơ 1
Chân 13, 14 là nối vào 2 chân nguồn cấp động cơ 2
Chân 3: Jumper cấp nguồn cho IC 7805, nếu dùng nguồn trên 12 V phải tháo jumper ra
Chân 4: Nguồn cấp cho động cơ 6 – 35 V
Chân 5: Chân nối đất GND
Chân 6: Nguồn 5 V nếu jumper không tháo ra
Chân 7: Chân Enable cho động cơ 1, cấp xung PWM cho động cơ
Chân 8, 9, 10, 11 bốn chân IN Chân 12: Chân Enable cho động cơ 2, cấp xung PWM cho động cơ
Barcode và phương thức nhận diện
Mã vạch (barcode) là một hệ thống ký hiệu dùng để lưu trữ và truyền tải thông tin, bao gồm các khoảng trắng và vạch thẳng Sự biến đổi trong độ rộng của các vạch và khoảng trắng này giúp biểu diễn ký hiệu, mẫu tự hoặc con số, cho phép máy móc đọc được thông tin dưới dạng số hoặc chữ.
2.9.2 Các loại Barcode : a UPC (Universal Product Code):
Năm 1973, UPC được đưa vào ứng dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm, nhằm tránh trùng lặp cho từng sản phẩm
UPC gồm 2 phần , một phần cho máy mã hóa, một phần cho con người có thể đọc được
UPC bao gồm 12 ký số, trong đó ký số đầu tiên đại diện cho hệ thống số Bảy ký số tiếp theo xác định ý nghĩa và loại sản phẩm.
2 : Các món hàng nặng tự nhiên như thịt và nông sản
3: Thuốc và các mặt hàng có liên quan đến y tế
4: Dành cho người bán lẽ sử dụng
5: Coupons: Phiếu lĩnh hàng hóa
0, 6, 7: Gán cho tất cả các mặt hàng khác như là một phần nhận diện của nhà sản xuất
Năm ký số thứ 2, là mã của nhà sản xuất được hiệp hội UCC (The Uniform Code Council) cấp duy nhất cho mỗi doanh nghiệp
Năm ký số tiếp theo là của nhà sản xuất tự quy định cho sản phẩm của mình
Ký số cuối cùng là ký số kiểm tra, tính chính xác của toàn bộ số UPC
Hiện tại, có nhiều phiên bản UPC như UPC-A, UPC-B, UPC-C, UPC-D, UPC-E, trong đó UPC-A được coi là phiên bản chuẩn
Mã UPC vẫn đang còn được sử dụng ở Hoa Kỳ và Bắc Mỹ b EAN (Europe an Article Number):
EAN là bước phát triển kế tiếp của UPC, nó gồm 13 ký số, trong đó 2 hoặc 3 ký số đầu biểu thị quốc gia do EAN
Mã EAN của Nhật Bản, với mã 49, là một phần quan trọng trong hệ thống mã vạch quốc tế, được áp dụng rộng rãi trên toàn cầu Tại Việt Nam, các doanh nghiệp muốn sử dụng mã vạch EAN cho sản phẩm của mình cần tham gia hiệp hội mã số mã vạch Việt Nam để được cấp mã sử dụng.
UPC và EAN là hai loại mã vạch chuyên nghiệp và toàn cầu, tuy nhiên, nhược điểm của chúng là thông tin chứa trong mã quá hạn chế, chỉ mã hóa được số và không thể mã hóa chữ.
Code 39 được phát triển sau UPC và EAN, mã hóa được tất cả các chữ hoa, ký số 0 – 9, 7 ký tự đặc biệt khác, đặc biệt không giới hạn về dung lượng thông tin
Nhiều doanh nghiệp chọn loại mã này để làm chuẩn công nghiệp cho mình, trong đó nổi lên là Bộ Quốc Phòng Mỹ gọi là
Mã vạch Interleaved 2 of 5 chỉ mã hóa ký số, không mã hóa ký tự, nhưng có khả năng thay thế độ dài và nén thông tin, làm cho nó phù hợp với các dạng thông tin dài trong một phạm vi hẹp Ngoài ra, còn nhiều loại mã vạch thông dụng khác cũng được sử dụng trong ngành công nghiệp.
Một số loại ta hay bắt gặp trên thị trường là Codabar, Code
Mã số mã vạch được thu nhận qua máy quét mã vạch, thiết bị này sử dụng nguồn sáng và thấu kính để chiếu sáng mã vạch, sau đó thu nhận ánh sáng phản xạ qua cảm quang Thông tin từ mã vạch được chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ các mạch điện tử, từ đó truyền tải thông tin lên máy tính.
THIẾT KẾ
Nguyên lý hoạt động
19 + Sơ đồ động khay chứa thuốc thử:
+ Sở đồ động phần pipet:
Thiết kế cơ khí
3.2.1 Chọn động cơ điện: a Chọn động cơ điện truyền dẫn khay thuốc thử:
Khay thuốc thử được thiết kế như một đĩa đặc đồng chất có bán kính 360mm và tổng khối lượng 8 kg, được đặt vuông góc với trục dẫn động, đảm bảo chứa đủ thuốc thử trên khay Moment quán tính của khay được tính toán dựa trên các thông số này.
Khay bắt đầu từ trạng thái đứng yên và sau 0,13 giây đã quay một góc 0,209 rad (tương đương 12 độ) nhờ vào moment lực từ trục nối.
𝑠 2 ) Moment lực tác dụng vào khay:
𝑀 = 𝐼 𝛾 = 0,1296.24,73 = 3,205 (N.m) Chọn các trị số hiệu suất của các loại bộ truyền và ổ như sau: ()
đ =0,95 => Hiệu suất của bộ truyền đai br =0,96 => Hiệu suất bộ phận truyền bánh răng trụ
ô =0,99 => Hiệu suất một cặp ổ lăn
nt =1 =>Hiệu suất của khớp nối với động cơ
Sau 1 s khay quay được 1 góc trung bình là :
𝜑 = 0,5.24,73 1 2 = 12,365(𝑟𝑎𝑑) Tương đương với v,365.0,18=2,2257(m/s) Công suất công tác:
Để đáp ứng yêu cầu truyền động của hệ thống, động cơ servo Panasonic MSMD012P1S với công suất 50 W là lựa chọn phù hợp, đi kèm với các thông số kỹ thuật chi tiết.
Rated rotational speed (rpm) 3000 Max rotational speed (rpm) 5000
Tốc độ quay trên trục công tác là n8(rpm)
Bảng hệ thống số liệu tính được:
Trục I Trục II Trục III Trục IV u u nt =1 u n = 3,64 u c = 2,8 u đ = 2,5 n (rpm) 3000 3000 824,18 294,35 117,74
3.2.2 Truyền động đai răng: a Chọn vật liệu đai:
Chọn đai cao su nhân tạo, cốt dây kim loại có phủ ngoài thêm lớp ni lông b Xác định các thông số bộ truyền:
Chọn mô đun của đai : m = 2
Chiều rộng đai : 𝑏 = 𝜓 đ 𝑚 Chọn 𝜓 đ = 6,25 Do đó chiều rộng đai: b,5
Số răng của bánh đai nhỏ Z 1 = 12 nhằm đảm bảo tuổi thọ cho đai Số răng bánh đai lớn: z 2 = u.z 1 = 2,5.12 = 30
Khoảng cách trụ a được chọn theo điều kiện: 𝑎 𝑚𝑖𝑛 ≤ 𝑎 ≤ 𝑎 𝑚𝑎𝑥 Với :
Chọn zđ = 71 => chiều dài đai răng lđ = 445,9 (mm)
Xác định lại khoảng cách trục a:
𝜆 = 𝑙 đ − 0,5 𝑝(𝑧 1 + 𝑧 2 ) = 445,9 − 0,5.6,28(12 + 30) 314,02 Δ = 0,5 𝑚(𝑧 2 − 𝑧 1 ) = 0,5.2(30 − 12) = 18 Đường kính vòng chia của các bánh đai:
𝑑 2 = 𝑚 𝑧 2 = 2.30 = 60(𝑚𝑚) Đường kính ngoài của bánh đai:
Trong đó, khoảng cách từ đáy răng đến đường trung bình của lớp chịu tải:
Số răng đồng thời ăn khớp trên bánh đai nhỏ:
360 0 = 5,559 trong đó góc ôm trên bánh đai nhỏ :
𝑎 57,3 0 = 166,77 0 Các thông số của bánh đai răng:
Thông số Ký hiệu Giá trị
Bánh lớn Z 2 30 Đường kính đỉnh răng
Bánh lớn d a2 58,8 Đường kính đáy răng
Chiều cao răng H 1,8 Đường kính vòng chia
Kích thước của profin rãnh Ký hiệu
Chiều rộng nhỏ nhất của rãnh s 1,8
50 0,5 0,5 c Xác định lực căng ban đầu và lực tác dụng lên trục:
= 0,007(𝑁) Lực tác dụng lên trục:
3.2.3 Tính bộ truyền bánh răng: a Chọn vật liệu:
Thép C40 tôi cải thiện đạt: b 1 700 Mpa
Thép C45 tôi cải thiện đạt: b 2 700 Mpa
ch 2 400Mpa b Xác định ứng xuất cho phép :
Với Thép C40 tôi cải thiện đạt độ rắn HB 192…228
Chọn độ cứng bánh răng nhỏ HB 1 !5HB Chọn độ cứng bánh răng lớn HB 2 5HB ta có :
Do bộ truyền làm việc tải trọng thay đổi nên ta có :
N HE2 = 60c.n 1 /u 1 ti ( T Ti max ) 3 t i ti ti
=>N HE > N H01 do đó KHL1= 1 Như vậy theo sơ bộ xác định được
] [ H 2 = 456.1/1,1 = 414,55Mpa Với cấp nhánh sử dụng răng nghiêng:
Vì N FE2 = 7,51.10 7 > N FO = 4.10 6 do đó K FL2 = 1 Tương tự: K FL1 = 1
Do đó theo (6.2a) với bộ truyền quay 1 chiều
] [ F 2 = 347,4.1.1/1,75 = 198,51Mpa Ứng suất quá tải cho phép :
Tính bộ truyền động vít – đai ốc bi:
Tải trọng dọc trục F a 00N c Chọn vật liệu vít – đai ốc:
Khi chọn vật liệu cho vít, nên sử dụng thép 45, trong khi đai ốc nên được làm từ đồng thanh thiếc chì 6 – 6 – 3 Cần sử dụng ren hình thang cân với góc ∝= 30 độ và hướng ren phải (ren không tiêu chuẩn) Để đảm bảo độ bền, cần xác định sơ bộ đường kính trong d1 của ren.
Chọn hệ số chiều cao đai ốc: 𝜓 𝐻 = 1,2 (đai ốc nguyên); hệ số chiều cao ren vuông 𝜓 ℎ = 0,5 ; áp suất cho phép [𝑞] = 8𝑀𝑃𝑎
𝜋𝜓 𝐻 𝜓 ℎ [𝑞]= 8,14𝑚𝑚 Lấy d 2 =9 mm e Chọn các thông số của ren: Đường kính ngoài: d = d 2 + h = 10 mm Đường kính trong : d1 = d 2 – h = 8 mm
Hệ số ma sát của cặp vật liệu thép – đồng thanh thiếc bôi trơn không tốt f=0,1; do đó 𝜑 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔(0,1/𝑐𝑜𝑠15 0 ) = 6 0
29 f Tính kiểm nghiệm về độ bền:
Trường hợp kích vít, tiết diện nguy hiểm tiếp nhận toàn bộ lực dọc Fa và momen là giá trị lớn hơn 2 giá trị của Tr và T g
𝑇 𝑟 = 𝐹 𝑎 𝑡𝑔(𝛾 + 𝜑) 𝑑 2 2 = 639𝑁 𝑚𝑚 Chọn mặt tì với D 0 = 2d= 20, d 0 = 6,25 mm, khi đó:
Do đó lấy T= 779N.mm để tính
3 = 120𝑀𝑝𝑎 Vậy điều kiện bền được đảm bảo
30 g Kiểm nghiệm vít về độ ổn định: Để xác điịnh độ mềm của vít, cần tính moment quán tính J và bán kính quán tính i:
Do đó đọ mềm của vít là
𝑖 =1.200 1,06 = 188,67 Với 𝜆 > 100 dùng công thức Owle để tính tải trọng tới hạn:
Do đó hệ số an toàn ổn định:
Số vòng ren của đai ốc 𝑧 = 𝐻
2 = 5,4 < 𝑧 𝑚𝑎𝑥 = 10 … 12 Đường kính ngoài của đai ốc:
Chọn D = 12mm Đường kính ngoài của mặt bích đai ốc:
Chiều dày bích đai ốc:
3.3.1 Giải thuật điều khiển: a Giải thuật chung cho toàn bệ hệ thống:
Hình 3.1 Sơ đồ giải thuật chung cho toàn bộ hệ thống
Như hình trên, toàn bộ hệ thống được phân tách ra làm 2 phần dựa theo chức năng và nhiệm vụ của mỗi phần:
Phần khay thuốc thử có chức năng lựa chọn ô thuốc thử phù hợp theo yêu cầu người dùng Khay này được kết nối với động cơ có tích hợp Encoder, cho phép xoay theo góc quay được chỉ định từ máy tính Nhờ đó, khay thuốc thử có thể dễ dàng và hiệu quả thực hiện việc hút thuốc thử vào vị trí cần thiết.
Cụm hút có chức năng quan trọng trong việc hút thuốc thử từ các ô chứa và xoay về vị trí khay trung tâm phản ứng, nhằm bơm thuốc thử vào các ống nghiệm đã có mẫu thử của bệnh nhân.
Ngõ vào của hệ thống là loại xét nghiệm mà người dùng lựa chọn, qua đó máy tính sẽ xử lý tín hiệu và gửi thông qua giao tiếp cổng COM đến vi điều khiển Từ tín hiệu nhận được, vi điều khiển sẽ xuất lệnh điều khiển vị trí góc quay của khay thuốc thử, cụ thể là số xung của Encoder cần đếm Động cơ tích hợp Encoder sẽ quay khay thuốc thử theo số xung mà vi điều khiển đã chỉ định.
Tín hiệu hồi tiếp về vi điều khiển ở đây là số xung mà Encoder đã gửi về
Vi điều khiển sẽ so sánh sự sai lệch giữa số xung yêu cầu và số xung đáp ứng trong một phạm vi sai số cho phép Nếu sự sai lệch nằm trong giới hạn chấp nhận được, vi điều khiển sẽ gửi tín hiệu đến máy tính, thông báo rằng quá trình điều khiển vị trí khay thuốc thử đã hoàn tất.
Khi xác định chính xác góc quay của khay thuốc thử, máy quét mã vạch sẽ đọc chuỗi mã vạch và gửi thông tin về cho máy tính Mỗi ô trên khay đều có một mã vạch duy nhất, và nhiệm vụ của máy quét là thu nhận mã vạch này để tiến hành so sánh và đối chiếu trong các bước tiếp theo.
33 Ở quá trình này, sẽ có sự tổng hợp về vị trí và sự phù hợp của mã vạch
Nếu đúng quá trình hút sẽ được diễn ra nếu không Quá trình này sẽ không được thực hiện
Trong quá trình hút, cơ cấu chấp hành di chuyển từ vị trí rửa (vị trí Home) đến vị trí chứa thuốc thử để thực hiện quá trình hút Sau đó, nó sẽ chuyển đến vị trí khay trung tâm để bơm thuốc thử vào ống nghiệm chứa mẫu thử Khi kết thúc quá trình hút, cơ cấu sẽ quay về vị trí Home để rửa đầu hút, chuẩn bị cho chu trình tiếp theo.
Hình 3.2 Giải thuật điều khiển cho cụm thuốc thử
Tín hiệu đầu vào của cụm máy này là thuốc thử được máy tính nội suy dựa trên lựa chọn loại xét nghiệm từ người dùng.
Máy tính có nhiệm vụ phân loại xét nghiệm để cung cấp thông tin chính xác về ô chứa thuốc trên khay thuốc thử và gửi thông tin này đến vi điều khiển Đồng thời, máy tính cũng nhận dữ liệu từ máy quét mã vạch để lưu trữ và xác nhận tính chính xác của ô chứa thuốc thử, đảm bảo rằng vị trí x chứa thuốc thử A, không phải loại khác, vì mỗi loại thuốc thử đều có mã số mã vạch riêng biệt và không trùng lặp.
Vi điều khiển nhận dữ liệu thô từ máy tính để tính toán số xung cần truyền cho động cơ quay, đồng thời so sánh tín hiệu từ Encoder để xác minh độ chính xác của góc quay Qua giao tiếp cổng COM với máy tính, vi điều khiển kết hợp với máy quét mã vạch để xác nhận mã số cho các bảng lưu giá trị.
Máy quét mã vạch cung cấp mã số cho từng ô chứa thuốc thử trong cụm máy Khi vi điều khiển xác nhận đúng vị trí (xung hồi tiếp bằng xung đặt ra), nhãn dán mã vạch sẽ nằm ngay vị trí quét của máy Do đó, việc đọc mã vạch trở nên hoàn toàn khả thi.
Trong cụm máy này có 2 quá trình hoạt động với 2 phương cách khác nhau:
Một là chạy tới ô chứa đọc giá trị mã số mã vạch để lưu trữ cho quá trình chạy sau này
Hai là chạy tới ô đã chọn, đọc mã số mã vạch để xác nhận lại loại thuốc thử, nếu đúng sẽ khởi động quá trình hút
Trong quá trình gửi dữ liệu xuống cho vi điều khiển, giá trị của ô chứa sẽ tự động tăng dần cho đến khi tất cả các giá trị được xử lý Mỗi lần quay tới vị trí của ô, giá trị mã số mã vạch sẽ được cập nhật.
