Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật y sinh thiết kế và thi công hệ thống chăn sưởi cho bệnh nhân sau phẫu thuật

Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật y sinh tập trung thiết kế và thi công hệ thống chăn sưởi hỗ trợ bệnh nhân sau phẫu thuật, nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe.

• Tác giả: Nguyễn Thị Thanh Nhàn
• Người hướng dẫn: ThS. Ngô Bá Việt
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Y sinh
• Đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống chăn sưởi cho bệnh nhân sau phẫu thuật
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
• 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.4. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
• 1.5. BỐ CỤC

Tóm tắt

I. Giới thiệu hệ thống chăn sưởi

Hệ thống chăn sưởi cho bệnh nhân sau phẫu thuật được thiết kế nhằm mục đích duy trì nhiệt độ cơ thể ổn định, giúp bệnh nhân hồi phục nhanh chóng. Thiết kế hệ thống chăn sưởi sử dụng công nghệ hiện đại, bao gồm vi điều khiển ESP8266 và cảm biến nhiệt độ MLX90614. Hệ thống này không chỉ giúp điều chỉnh nhiệt độ mà còn theo dõi tình trạng sức khỏe của bệnh nhân thông qua ứng dụng di động. Việc sử dụng giải pháp chăn sưởi y tế này có thể giảm thiểu nguy cơ nhiễm trùng và tăng cường hiệu quả hồi phục cho bệnh nhân. Theo thống kê, khoảng 60-70% bệnh nhân gặp tình trạng hạ thân nhiệt sau phẫu thuật, do đó, việc phát triển hệ thống này là rất cần thiết.

1.1. Tính năng của hệ thống

Hệ thống chăn sưởi được thiết kế với nhiều tính năng nổi bật. Đầu tiên, nó có khả năng tự động điều chỉnh nhiệt độ dựa trên dữ liệu từ cảm biến nhiệt độ. Thứ hai, hệ thống cho phép người dùng theo dõi nhiệt độ cơ thể bệnh nhân qua màn hình LCD và ứng dụng di động. Điều này giúp các bác sĩ và điều dưỡng viên dễ dàng quản lý tình trạng sức khỏe của bệnh nhân. Hệ thống cũng sử dụng phương pháp điều khiển PID để đảm bảo nhiệt độ luôn ổn định và chính xác. Nhờ vào công nghệ y sinh, hệ thống này không chỉ mang lại sự thoải mái cho bệnh nhân mà còn hỗ trợ quá trình hồi phục hiệu quả.

II. Thiết kế và thi công hệ thống

Quá trình thi công hệ thống chăn sưởi bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, việc lựa chọn linh kiện phù hợp là rất cần thiết. Các linh kiện như vi điều khiển ESP8266, cảm biến nhiệt độ DS18B20 và thanh nhiệt điện trở được sử dụng để đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống. Sau khi hoàn thành việc lắp ráp, hệ thống được kiểm tra và hiệu chỉnh để đảm bảo hoạt động ổn định. Việc thi công mạch và mô hình vòng đo cũng được thực hiện cẩn thận để đảm bảo tính chính xác trong việc đo nhiệt độ. Hệ thống được thiết kế để dễ dàng sử dụng và bảo trì, giúp các nhân viên y tế có thể thao tác một cách thuận tiện.

2.1. Quy trình thi công

Quy trình thi công hệ thống chăn sưởi bao gồm các bước như thiết kế sơ đồ khối, lắp ráp các linh kiện, và kiểm tra chức năng. Đầu tiên, sơ đồ khối của hệ thống được thiết kế để xác định cách thức kết nối giữa các linh kiện. Sau đó, các linh kiện được lắp ráp theo sơ đồ đã thiết kế. Việc kiểm tra chức năng được thực hiện để đảm bảo rằng tất cả các thành phần hoạt động đúng cách. Hệ thống cũng được thử nghiệm trong điều kiện thực tế để đánh giá hiệu suất và độ tin cậy. Kết quả cho thấy hệ thống đạt được khoảng 90% mục tiêu đề ra, với khả năng duy trì nhiệt độ ổn định và đồng đều trong chăn.

III. Kết quả và đánh giá

Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống chăn sưởi hoạt động hiệu quả trong việc duy trì nhiệt độ cho bệnh nhân sau phẫu thuật. Nhiệt độ từ vòng tay đo thân nhiệt được gửi về hệ thống trung tâm liên tục, cho phép điều chỉnh thông số phù hợp với phương thức điều khiển PID. Hệ thống cũng cho phép điều chỉnh nhiệt độ cài đặt thông qua nút nhấn, giúp người dùng dễ dàng thao tác. Tuy nhiên, một số hạn chế như việc cần kết nối wifi để hoạt động và thời gian đáp ứng còn chậm cần được khắc phục trong tương lai. Đề tài này có giá trị thực tiễn cao trong việc cải thiện chăm sóc sức khỏe cho bệnh nhân sau phẫu thuật.

3.1. Đánh giá hiệu quả

Đánh giá hiệu quả của hệ thống chăn sưởi cho thấy rằng việc duy trì nhiệt độ ổn định có tác động tích cực đến quá trình hồi phục của bệnh nhân. Hệ thống không chỉ giúp giảm thiểu nguy cơ nhiễm trùng mà còn tạo cảm giác thoải mái cho bệnh nhân. Các bác sĩ và điều dưỡng viên có thể theo dõi tình trạng sức khỏe của bệnh nhân một cách dễ dàng thông qua ứng dụng di động. Điều này không chỉ nâng cao chất lượng chăm sóc mà còn giúp tiết kiệm thời gian và công sức cho nhân viên y tế. Hệ thống chăn sưởi này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các cơ sở y tế, góp phần nâng cao hiệu quả điều trị cho bệnh nhân.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong phẫu thuật và hồi sức ngoại khoa, việc duy trì thân nhiệt ổn định đóng vai trò quyết định đối với tiến trình hồi phục của người bệnh. Theo các số liệu thống kê được tác giả trích dẫn, tỷ lệ bệnh nhân bị hạ thân nhiệt sau các ca phẫu thuật kéo dài trên 2 giờ chiếm khoảng 60% đến 70%. Tình trạng hạ thân nhiệt hậu phẫu gây ra nhiều hệ lụy lâm sàng nghiêm trọng: làm chậm quá trình chuyển hóa thuốc, kích thích phản xạ co mạch máu ngoại vi, làm suy giảm lưu lượng tưới máu mô, thiếu hụt oxy và dưỡng chất tại vết mổ. Điều này dẫn đến nguy cơ nhiễm trùng vết mổ tăng gấp 3 lần so với bệnh nhân có thân nhiệt bình thường, buộc phải kéo dài thời gian điều trị bằng kháng sinh phổ rộng, kéo dài thời gian nằm tại phòng hồi sức tích cực và làm tăng chi phí điều trị. Dẫn chứng từ một nghiên cứu tại Anh cho thấy, việc làm ấm bề mặt da của bệnh nhân trước phẫu thuật giúp suy giảm hơn 60% nguy cơ nhiễm trùng vết mổ, mở ra triển vọng giảm phụ thuộc vào kháng sinh dự phòng.

Nhằm giải quyết vấn đề hạ thân nhiệt, các thiết bị sưởi ấm đối lưu đã ra đời trên thị trường quốc tế, tiêu biểu như các dòng máy Level 1™ của hãng ICU Medical, WarmTouch 6000 của hãng Covidien (sử dụng màng lọc HEPA 0,3 µm với hiệu suất lọc 99,97%, cung cấp 5 mức nhiệt độ gồm nhiệt độ phòng, 34°C, 40°C, 45°C và 47°C), hệ thống 3M Bair Hugger và dòng máy WarmAir. Tại Việt Nam, nghiên cứu đi trước của nhóm sinh viên Huỳnh Thanh Nam và Lê Quang Huy với đề tài "Thiết kế và thi công chăn điện sưởi ấm cho bệnh nhân giám sát từ xa" cũng đã ứng dụng phương pháp thổi khí ấm. Kế thừa và phát triển từ thực tiễn trên, đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống chăn sưởi cho bệnh nhân sau phẫu thuật" được thực hiện với các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể:

• Mục tiêu nghiên cứu: Thiết kế và thi công hoàn chỉnh hệ thống chăn sưởi tự động dành cho bệnh nhân sau phẫu thuật; sử dụng vi điều khiển ESP8266 phối hợp giải thuật điều khiển tỉ lệ - tích phân - vi phân (PID); tích hợp vòng tay đo thân nhiệt truyền dữ liệu không dây về khối gia nhiệt trung tâm; theo dõi giám sát thông số nhiệt độ trực tiếp qua màn hình LCD và ứng dụng di động; đảm bảo tính thẩm mỹ và dễ thao tác.
• Nội dung và nhiệm vụ nghiên cứu:
  1. Nội dung 1: Lấy dữ liệu nhiệt độ từ cơ thể bệnh nhân và gửi qua hệ thống gia nhiệt chính.
  2. Nội dung 2: Nhận dữ liệu thân nhiệt của bệnh nhân và theo dõi, khi thân nhiệt ở mức bình thường thì duy trì hệ thống hoạt động liên tục.
  3. Nội dung 3: Thực hiện gia nhiệt cho hệ thống thổi khí vào chăn.
  4. Nội dung 4: Thi công chăn sưởi dẫn khí.
  5. Nội dung 5: Thiết kế mô hình hoàn chỉnh phần cứng và vỏ hộp.
  6. Nội dung 6: Thực nghiệm mô hình và đánh giá kết quả.
  7. Nội dung 7: Đưa ra phương án xử lý phù hợp với kết quả thực nghiệm và viết báo cáo hoàn thiện.
• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống thiết bị sưởi ấm thân nhiệt bao gồm thiết bị đo thân nhiệt đeo tay, bộ điều khiển gia nhiệt trung tâm và chăn khí y tế.
  • Phạm vi thông số kỹ thuật: Dải nhiệt độ làm việc của hệ thống được giới hạn trong khoảng từ 25°C đến 40°C; kích thước chăn sưởi gia công thực tế là 1,2 m x 2,0 m; dữ liệu được truyền thông qua giao thức mạng Wi-Fi không dây.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và nguyên lý vận hành

Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lý truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức. Không khí từ môi trường xung quanh được hút qua quạt gió, đi qua buồng gia nhiệt chứa thanh điện trở nhiệt để nâng nhiệt độ lên mức yêu cầu, sau đó luồng khí ấm được dẫn qua ống thổi vào cấu trúc các khoang rỗng bên trong chăn nhằm tỏa nhiệt bao phủ cơ thể bệnh nhân.

Giải thuật điều khiển nhiệt độ sử dụng bộ điều khiển PID (Proportional - Integral - Derivative) với hàm truyền đạt liên tục theo thời gian:

$$u(t) = K_P \cdot e(t) + K_I \int_{0}^{t} e(\tau) d\tau + K_D \frac{de(t)}{dt}$$

Trong đó:

• $e(t) = SP - PV$ là sai số giữa nhiệt độ cài đặt mong muốn (Setpoint - SP) và nhiệt độ đo thực tế (Process Variable - PV).
• $K_P$ là hệ số tỉ lệ (Proportional Gain), quyết định tốc độ đáp ứng đầu ra tỉ lệ với độ lớn sai số hiện tại.
• $K_I$ là độ lợi tích phân (Integral Gain), có chức năng triệt tiêu sai số xác lập ở trạng thái ổn định bằng cách tích lũy sai số theo thời gian.
• $K_D$ là độ lợi vi phân (Derivative Gain), dự đoán xu hướng biến thiên của sai số thông qua đạo hàm để hãm độ vọt lố và tăng độ ổn định của hệ thống gia nhiệt.

Phương pháp nghiên cứu và lựa chọn phần cứng

Tác giả sử dụng phương pháp tính toán lý thuyết kết hợp thiết kế mô phỏng, chế tạo thực nghiệm và khảo sát thực tế. Việc lựa chọn các linh kiện kỹ thuật được đối sánh chi tiết theo các tiêu chí kỹ thuật:

Hạng mục linh kiện	Các phương án khảo sát	Phương án được chọn	Lý do lựa chọn theo yêu cầu hệ thống
Vi điều khiển vòng đeo tay	Arduino Pro Mini, ESP8266 NodeMCU, Wemos D1 Mini	Wemos D1 Mini (ESP8266)	Kích thước nhỏ gọn (3,56 cm), xung nhịp 80–160 MHz, tích hợp sẵn Wi-Fi, hỗ trợ giao tiếp I2C, giá thành hợp lý (53.000 VNĐ).
Cảm biến thân nhiệt bệnh nhân	LM35, DHT11, MLX90614 (GY-906)	GY-906 MLX90614ESF	Cảm biến hồng ngoại không tiếp xúc, sai số thấp (±0,3°C), dải đo -70°C đến 380°C, giao tiếp I2C 4 chân, kích thước nhỏ (11,5 mm).
Vi điều khiển khối trung tâm	Arduino Uno R3, Arduino Uno WiFi, ESP8266 NodeMCU CP2102	ESP8266 NodeMCU CP2102	Xung nhịp 80 MHz, chuẩn Wi-Fi 802.11 b/g/n (2,4 GHz), 9 chân GPIO (D0–D8), 1 chân ADC (A0), hỗ trợ I2C/SPI/UART, chi phí thấp (73.000 VNĐ).
Cảm biến nhiệt độ buồng chăn	Cảm biến có dây các loại	DS18B20	Cảm biến đo nhiệt độ tiếp xúc dạng dây bọc chống nước, phù hợp luồn vào đường ống và khoang chứa khí của chăn.
Cơ cấu đóng ngắt gia nhiệt	Rơ le cơ khí thông thường, Rơ le bán dẫn (SSR)	Solid State Relay SSR-60DA	Rơ le bán dẫn sử dụng linh kiện cách ly quang (opto-coupler) và triac, đóng ngắt dòng xoay chiều không phát sinh tia lửa điện, tốc độ đáp ứng cao, độ bền cao.
Phần tử gia nhiệt	Dây nhiệt trần, thanh gia nhiệt công nghiệp	Thanh nhiệt điện trở chữ U	Lớp vỏ inox bọc ngoài, lớp cách điện dẫn nhiệt Magiê Oxit (MgO) nén chặt, lõi dây điện trở Nichrome tỏa nhiệt nhanh và an toàn.
Cơ cấu tạo lưu lượng khí	Quạt lồng sóc DC, quạt hút AC	Quạt MR20060-AC Orix 220VAC	Công suất lưu lượng gió lớn, hoạt động trực tiếp với lưới điện xoay chiều 220VAC, chịu được nhiệt độ cao từ buồng đốt.

Tính toán mạch nguồn

• Mạch nguồn vòng đeo tay: Cung cấp cho vi điều khiển Wemos D1 Mini (tiêu thụ 80 mA ở 3,3V) và cảm biến MLX90614 (tiêu thụ 2 mA ở 3,3V). Tổng công suất tiêu thụ của mạch: $P_{tổng} = U_{tổng} \times I_{tổng} = 3,3\text{ V} \times 82\text{ mA} = 270,6\text{ mW}$. Mạch sử dụng nguồn pin sạc Li-Po 3,7V dung lượng 500 mAh (tương đương năng lượng cung cấp $P_{Lipo} = 1850\text{ mWh} > P_{tổng}$). Mạch sạc pin sử dụng module TP4056 tích hợp cổng giao tiếp USB Type-C, dòng sạc tối đa 1A, ngắt sạc khi điện áp pin đạt 4,25V. Thời gian sạc đầy tính toán theo công thức: $$t = \frac{C}{I} \times \frac{1}{\eta} = \frac{0,5\text{ Ah}}{1\text{ A}} \times \frac{1}{0,85} \approx 0,59\text{ giờ (tương đương 35 phút)}$$ Điện áp pin (3,7V - 4,2V) được nâng lên mức 5V thông qua mạch tăng áp Boost DC-DC T64 (dòng ra cực đại 480 mA), sau đó hạ áp ổn định về 3,3VDC thông qua IC ổn áp tuyến tính LM1117T-3.3 (chịu dòng tối đa 1A) phối hợp hệ thống tụ hóa và tụ gốm khử nhiễu tín hiệu.
• Mạch nguồn khối trung tâm: Chuyển đổi điện áp lưới xoay chiều 220VAC qua biến áp hạ áp, mạch chỉnh lưu cầu diode, mạch lọc tụ điện và IC ổn áp L7805CV để tạo nguồn một chiều 5VDC ổn định cung cấp cho vi điều khiển ESP8266, màn hình LCD và các cảm biến.

---

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh từ kiến trúc phần cứng, kiểu dáng cơ khí đến kiến trúc phần mềm nhúng và phần mềm điều khiển:

[Vòng tay đo thân nhiệt]
  MLX90614 (I2C) -> Wemos D1 Mini --(HTTP POST / Wi-Fi)--> [Hệ thống điều khiển trung tâm]
                                                                |
                                                      ESP8266 NodeMCU
                                                      (Thuật toán PID)
                                                       /      |      \
                                                 SSR-60DA    LCD   Firebase Realtime DB
                                                    |                 |
                                           Thanh nhiệt & Quạt   MIT App Inventor
                                                    |                 (Android App)
                                              [Chăn sưởi]
                                            (1,2m x 2,0m)

Thiết kế phần cứng và bao bọc cơ khí

1. Vòng tay đo thân nhiệt:
   • Mạch in PCB được vẽ và mô phỏng trên phần mềm Proteus Professional 8, bố trí gọn gàng chân cắm cho module vi điều khiển Wemos D1 Mini, cảm biến MLX90614, IC ổn áp LM1117T, cổng sạc Type-C của module TP4056 và pin Li-Po 3,7V 500 mAh.
   • Vỏ hộp vòng tay được thiết kế 3D trên phần mềm SOLIDWORKS và gia công chế tạo bằng công nghệ in 3D nhựa, đảm bảo bề mặt cảm biến MLX90614 hướng thẳng vào cổ tay người bệnh ở khoảng cách đo quy chuẩn, đồng thời tạo sự thoải mái khi đeo.
2. Hệ thống điều khiển trung tâm:
   • Hệ thống được phân chia thành 2 tầng không gian bên trong hộp kỹ thuật (thiết kế trên SOLIDWORKS): tầng dưới bố trí biến áp nguồn, khối mạch chỉnh lưu nguồn DC, rơ le bán dẫn SSR-60DA, quạt thổi khí Orix 220VAC và buồng gia nhiệt kim loại chứa thanh điện trở nhiệt chữ U; tầng trên bố trí bo mạch vi điều khiển ESP8266, bo mạch hiển thị và các nút nhấn điều khiển.
   • Bảng điều khiển mặt trước gồm màn hình hiển thị LCD kết nối vi điều khiển qua I2C và 2 nút nhấn nhả chống nước PBS-33B (kích thước đường kính ren 12 mm) dùng để tăng/giảm giá trị nhiệt độ cài đặt và kích hoạt chạy/dừng hệ thống.
3. Mô hình chăn sưởi:
   • Kích thước may thực tế đạt 1,2 m x 2,0 m, sử dụng vải chuyên dụng không chứa latex, thân thiện với da người bệnh.
   • Ruột chăn được may dập tạo thành các đường ống dẫn và khoang phân phối khí song song trải đều toàn bộ diện tích bề mặt. Đầu chăn kết nối với ống mềm dẫn khí nóng đường kính lớn từ buồng thổi của máy trung tâm.

Thiết kế phần mềm và cấu trúc dữ liệu

• Chương trình nhúng trên vi điều khiển (lập trình bằng C/C++ trên Arduino IDE):
  • Vi điều khiển Wemos D1 Mini đọc dữ liệu nhiệt độ không tiếp xúc từ cảm biến MLX90614 qua giao tiếp I2C. Sau đó, thiết bị đóng gói giá trị thân nhiệt vào bản tin dữ liệu và gửi liên tục về địa chỉ IP của ESP8266 trung tâm thông qua phương thức HTTP POST (sử dụng thư viện ESP8266HTTPClient).
  • Vi điều khiển ESP8266 trung tâm thiết lập web server cục bộ tiếp nhận dữ liệu HTTP POST từ Client (vòng tay), đồng thời đọc tín hiệu nhiệt độ phản hồi từ cảm biến DS18B20 bố trí bên trong chăn.
  • Khối chương trình con ngắt nút nhấn liên tục cập nhật trạng thái hoạt động và giá trị nhiệt độ đặt (Setpoint).
  • Khối chương trình con PID tính toán sai số giữa nhiệt độ đặt và nhiệt độ đo, xuất tín hiệu điều chế chu kỳ xung kích mở rơ le bán dẫn SSR-60DA để cấp điện cho thanh nhiệt chữ U.
• Ứng dụng giám sát di động và cơ sở dữ liệu:
  • Nền tảng Google Firebase Realtime Database được sử dụng làm trung gian đám mây: ESP8266 đẩy liên tục các trường dữ liệu gồm nhiệt độ cài đặt, nhiệt độ bệnh nhân, nhiệt độ chăn và trạng thái hoạt động lên Firebase thông qua giao thức Wi-Fi.
  • Ứng dụng điện thoại được xây dựng trên nền tảng MIT App Inventor chạy trên hệ điều hành Android. Giao diện người dùng sử dụng các khối logic nhận sự kiện biến đổi dữ liệu từ FirebaseDB để cập nhật trạng thái hệ thống theo thời gian thực (hiển thị giao diện "Hệ thống đang hoạt động" hoặc "Hệ thống chưa hoạt động", đồ thị nhiệt độ và các cảnh báo).

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Đặt vấn đề và Tổng quan đề tài

Trình bày cơ sở xuất phát từ thực trạng hạ thân nhiệt của bệnh nhân sau phẫu thuật (chiếm 60–70% ca mổ trên 2 giờ), phân tích các biến chứng sinh lý nguy hiểm và nguy cơ nhiễm trùng vết mổ tăng gấp 3 lần. Khảo sát các sản phẩm chăn sưởi y tế thương mại (ICU Medical, Covidien, 3M Bair Hugger) và đồ án khóa trước của Huỳnh Thanh Nam, Lê Quang Huy. Xác lập mục tiêu thiết kế hệ thống chăn sưởi điều khiển PID, xác định 7 nội dung nghiên cứu cần thực hiện, đưa ra các giới hạn thông số kỹ thuật (dải nhiệt độ 25°C–40°C, kích thước chăn 1,2 m x 2,0 m, truyền dữ liệu qua Wi-Fi) và cấu trúc 6 chương của báo cáo tốt nghiệp.

Chương 2. Cơ sở lý thuyết

Nghiên cứu nguyên lý làm ấm bằng phương pháp đối lưu nhiệt qua chăn khí và phân tích cấu tạo chăn sưởi. Trình bày chi tiết toán học của bộ điều khiển PID, phân tích ảnh hưởng của từng khâu $K_P$, $K_I$, $K_D$ đến đặc tính quá độ, độ vọt lố và sai số xác lập. Giới thiệu tổng quan cấu trúc phần cứng: các dòng vi điều khiển (Arduino, ESP32, ESP8266), các loại cảm biến nhiệt độ (RTD, cặp nhiệt điện, IC bán dẫn, MLX90614, DS18B20), nguyên lý công tắc bán dẫn cách ly quang của SSR, cấu tạo thanh nhiệt điện trở chữ U vỏ inox cách điện MgO và quạt Orix 220VAC. Trình bày cơ sở phần mềm công cụ gồm Arduino IDE, Proteus Professional 8, SOLIDWORKS, MIT App Inventor, Google Firebase, cùng các giao thức truyền thông I2C và HTTP Request (phương thức GET, POST).

Chương 3. Tính toán và thiết kế

Xây dựng sơ đồ khối tổng quát phân định rõ hai thành phần: vòng tay đo thân nhiệt bệnh nhân và hệ thống điều khiển trung tâm thổi khí vào chăn. Đưa ra các bảng so sánh lựa chọn linh kiện kỹ thuật (Bảng 3.1, 3.2, 3.6, 3.7, 3.8). Tính toán cân bằng công suất mạch nguồn vòng tay ($P_{tổng} = 270,6\text{ mW}$), chọn pin Li-Po 3,7V 500 mAh, mạch sạc TP4056 (thời gian sạc 35 phút), mạch tăng áp Boost DC-DC T64 và IC ổn áp LM1117T-3.3. Thiết kế mạch nguồn chỉnh lưu hạ áp L7805CV cho tủ trung tâm. Tính toán giải thuật điều khiển PID và lập bảng thông số thử nghiệm $K_P, K_I, K_D$ (Bảng 3.10). Xuất bản vẽ sơ đồ nguyên lý toàn mạch cho vòng tay đo thân nhiệt và hệ thống trung tâm.

Chương 4. Thi công hệ thống

Hiện thực hóa thiết kế thông qua quy trình: thiết kế mạch in PCB trên Proteus, hàn linh kiện và kiểm tra mức điện áp thực tế sau mạch tăng áp và IC ổn áp (nguồn ra ổn định 3,3V và 5V). Dựng mô hình 3D vỏ hộp vòng đeo tay và vỏ tủ điều khiển 2 tầng trên SOLIDWORKS, gia công in 3D và lắp ráp hoàn thiện. Thi công ruột chăn và may bọc chăn sưởi hoàn chỉnh kích thước 1,2 m x 2,0 m. Lập trình lưu đồ giải thuật cho chương trình chính, chương trình con nhận dữ liệu Client qua HTTP POST, chương trình kiểm tra nút nhấn, đọc cảm biến DS18B20, gửi dữ liệu lên Firebase và thuật toán PID kích SSR. Cấu hình bảng dữ liệu Realtime Database, chỉnh sửa Rules bảo mật trên Firebase và lập trình kéo thả khối lệnh (Blocks) trên MIT App Inventor để build file ứng dụng Android.

Chương 5. Kết quả - Nhận xét - Đánh giá

Trình bày hình ảnh thực tế của vòng đeo tay hoàn chỉnh, mô hình tủ điều khiển trung tâm, giao diện màn hình LCD, màn hình ứng dụng di động khi đang chạy hoặc dừng, và chăn sưởi sau thi công. Báo cáo bảng tổng hợp chi phí linh kiện thực tế (Bảng 5.1). Trình bày kết quả kiểm tra độ chính xác của cảm biến MLX90614 trên vòng tay so sánh đối chứng với nhiệt kế điện tử hồng ngoại Microlife FR1MF1 (Bảng 5.2). Thống kê số liệu vận hành điều khiển nhiệt độ PID của khối trung tâm (Bảng 5.3) và kết quả đo đạc phân bố nhiệt độ đồng đều tại 5 vị trí cảm biến khác nhau trong chăn (Bảng 5.4, Hình 5.18). Nêu nhận xét, đánh giá hệ thống đạt khoảng 90% mục tiêu đề ra và hướng dẫn chi tiết các thao tác sử dụng.

Chương 6. Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu, tổng kết các ưu điểm vận hành tự động của mô hình và thẳng thắn chỉ ra các điểm còn tồn tại về độ trễ, nút bấm và kết nối mạng. Đề xuất các phương hướng nghiên cứu, cải tiến tiếp theo cho đề tài.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm và số liệu kỹ thuật

Qua quá trình chế tạo mô hình và thử nghiệm thực tế, đề tài đã thu được các kết quả cụ thể CÓ TRONG văn bản báo cáo:

• Mức độ hoàn thành mục tiêu: Tác giả tự đánh giá hệ thống sau khi thi công và thực nghiệm đã hoàn thành đạt khoảng 90% các mục tiêu ban đầu đề ra.
• Hiệu năng khối đo thân nhiệt vòng đeo tay: Cảm biến không tiếp xúc MLX90614 đọc dữ liệu liên tục và gửi qua giao thức HTTP POST về khối điều khiển trung tâm thông suốt khi có kết nối mạng. Thử nghiệm đối chứng nhiệt độ đo được từ vòng đeo tay với thiết bị đo chuẩn là nhiệt kế hồng ngoại Microlife FR1MF1 cho kết quả đo tin cậy, bám sát giá trị thực tế với sai số cảm biến nằm trong ngưỡng cho phép (sai số danh định ±0,3°C).
• Vận hành điều khiển gia nhiệt PID: Hệ thống trung tâm thực hiện tốt việc đóng ngắt thanh điện trở nhiệt chữ U thông qua SSR-60DA dựa trên tính toán PID, giúp nhiệt độ khí thổi dần tiến tới và duy trì ổn định xung quanh điểm đặt cài đặt trong dải 25°C – 40°C.
• Độ đồng đều nhiệt trong chăn sưởi: Thử nghiệm bố trí 5 cảm biến nhiệt độ tại 5 vị trí phân tán khác nhau trên diện tích chăn 1,2 m x 2,0 m (ghi nhận ở Bảng 5.4 và đồ thị Hình 5.18) cho thấy luồng khí nóng được phân phối tương đối đồng đều qua các khoang rỗng, không xảy ra hiện tượng quá nhiệt cục bộ tại vị trí sát đầu ống thổi khí.
• Giao diện điều khiển và giám sát: Màn hình LCD hiển thị chính xác các thông số nhiệt độ cài đặt, nhiệt độ đo thực tế và trạng thái hoạt động; 2 nút bấm PBS-33B cho phép can thiệp cài đặt; ứng dụng Android tạo bởi MIT App Inventor đồng bộ dữ liệu theo thời gian thực từ cơ sở dữ liệu Firebase.

Giải pháp và kiến nghị đề xuất của tác giả

• Tích hợp thiết bị đo thân nhiệt nhỏ gọn dạng vòng đeo tay không tiếp xúc nhằm loại bỏ sự vướng víu của dây nối cho bệnh nhân sau mổ, thay thế việc đo ngắt quãng thủ công của nhân viên y tế bằng cơ chế giám sát tự động liên tục.
• Ứng dụng giải thuật điều khiển công suất thanh nhiệt chữ U bằng giải thuật PID điều khiển qua rơ le bán dẫn SSR để duy trì ổn định nhiệt độ không khí ấm, tránh gây sốc nhiệt hoặc bỏng nhiệt cho bệnh nhân.
• Tận dụng nền tảng điện toán đám mây Firebase Realtime Database và ứng dụng MIT App Inventor nhằm tạo giải pháp giám sát nhiệt độ từ xa chi phí thấp cho điều dưỡng và bác sĩ hồi sức.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

So với đề tài trước đó của Huỳnh Thanh Nam và Lê Quang Huy (sử dụng chăn điện truyền nhiệt tiếp xúc), đề tài này đã có những cải tiến kỹ thuật rõ rệt:

• Chuyển đổi phương thức gia nhiệt từ dây nhiệt tiếp xúc trực tiếp sang phương pháp sưởi ấm đối lưu cưỡng bức bằng dòng khí ấm, nâng cao độ an toàn cho bề mặt da nhạy cảm của bệnh nhân hậu phẫu.
• Thu gọn kích thước khối vi điều khiển vòng tay đo thân nhiệt nhỏ hơn khoảng 30% so với thế hệ đề tài trước nhờ sử dụng board mạch Wemos D1 Mini tích hợp Wi-Fi.
• Ứng dụng cảm biến hồng ngoại không tiếp xúc GY-906 MLX90614 thay vì cảm biến tiếp xúc truyền thống, giảm thiểu tối đa xâm lấn và khó chịu cho người bệnh.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các ghi nhận trung thực tại báo cáo thực nghiệm và kết luận của tác giả, hệ thống còn tồn tại một số hạn chế kỹ thuật:

1. Phụ thuộc tuyệt đối vào hạ tầng mạng Wi-Fi: Hệ thống trung tâm và vòng đeo tay bắt buộc phải có kết nối mạng Wi-Fi thì mới có thể truyền nhận dữ liệu qua giao thức HTTP POST và gửi thông số lên Firebase; hệ thống chưa có cơ chế vận hành offline dự phòng khi mất kết nối mạng.
2. Thời gian đáp ứng của hệ thống còn chậm: Do quán tính nhiệt lớn của thanh điện trở nhiệt chữ U và buồng đốt kim loại, thời gian đáp ứng gia nhiệt để không khí trong chăn đạt tới nhiệt độ cài đặt còn tương đối chậm.
3. Độ nhạy nút bấm cơ khí chưa cao: Cụm 2 nút nhấn nhả PBS-33B dùng để cài đặt nhiệt độ và khởi động/dừng hệ thống chưa thực sự nhạy, đôi khi đòi hỏi người vận hành phải thao tác lặp lại.
4. Chưa đạt tiêu chuẩn chứng nhận y tế: Hệ thống mới dừng lại ở mức mô hình thí nghiệm thực nghiệm kỹ thuật, chưa được kiểm định các tiêu chuẩn an toàn điện y sinh khắt khe, kiểm định độ ồn quạt gió và độ tinh khiết dòng khí (chưa tích hợp màng lọc HEPA chuẩn y tế như các máy thương mại Covidien hay ICU Medical) để có thể đưa vào áp dụng trực tiếp tại các bệnh viện.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất:

• Tối ưu hóa giải thuật và nâng cao độ nhạy cơ khí của nút điều khiển; phát triển cơ chế truyền thông trực tiếp nội bộ giữa vòng tay và khối trung tâm mà không cần phụ thuộc vào mạng Wi-Fi Internet bên ngoài.
• Nâng cấp phần cứng lọc khí, nghiên cứu tích hợp màng lọc tiêu chuẩn HEPA nhằm đảm bảo vô trùng cho dòng khí ấm thổi vào chăn.
• Tiếp tục hiệu chỉnh các hệ số PID ($K_P, K_I, K_D$) để rút ngắn thời gian đáp ứng quá độ của nhiệt độ khí sưởi.
• Nghiên cứu hoàn thiện quy chuẩn thiết kế bo mạch và thử nghiệm lâm sàng hướng tới đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn trang thiết bị y tế.

---

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo chuyên môn thiết thực cho các nhóm đối tượng:

• Sinh viên ngành Kỹ thuật Y sinh (Biomedical Engineering): Tài liệu cung cấp quy trình thiết kế hoàn chỉnh một thiết bị hỗ trợ điều trị hậu phẫu, từ xác định cơ chế sinh lý hạ thân nhiệt, tính toán công suất nguồn pin, thiết kế cảm biến đo không xâm lấn đến xây dựng chăn khí phân phối nhiệt.
• Sinh viên ngành Điện - Điện tử, Tự động hóa và IoT: Có thể tham khảo phương pháp ứng dụng vi điều khiển ESP8266/Wemos D1 Mini trong giao tiếp không dây cục bộ (HTTP POST Client - Server), kỹ thuật điều chế xung điều khiển rơ le bán dẫn SSR cho tải nhiệt công suất lớn, và phương thức kết nối dữ liệu Firebase - MIT App Inventor.
• Người thực hiện các đề tài nghiên cứu về hệ thống điều khiển nhiệt độ: Bản thuyết minh cung cấp toàn bộ sơ đồ nguyên lý mạch nguồn hạ áp và tăng áp (LM1117T-3.3, Boost T64, TP4056, L7805CV), cùng phương pháp thực nghiệm đánh giá độ phân bố trường nhiệt trên diện tích rộng thông qua mảng cảm biến.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lựa chọn cảm biến GY-906 MLX90614 thay vì các loại cảm biến giá rẻ như LM35 hay DHT11 cho vòng tay?

Theo bảng so sánh 3.2 trong văn bản, LM35 (giá 33.000 VNĐ) và DHT11 (giá 18.000 VNĐ) có kích thước lớn, sai số cao (DHT11 sai số ±2°C) và bắt buộc phải tiếp xúc trực tiếp với bề mặt da bệnh nhân, gây khó khăn cho việc tích hợp vào vòng đeo tay. Ngược lại, MLX90614 (giá 245.000 VNĐ) là cảm biến hồng ngoại không tiếp xúc, kích thước nhỏ (11,5 mm), dải đo rộng (-70°C đến 380°C), giao tiếp trực tiếp qua I2C và sai số rất thấp (±0,3°C), đáp ứng được yêu cầu đo thân nhiệt y tế mà không làm khó chịu cho bệnh nhân hậu phẫu.

2. Vòng tay đo thân nhiệt truyền dữ liệu về hệ thống trung tâm bằng cách nào và sử dụng nguồn điện gì?

Vòng tay sử dụng vi điều khiển Wemos D1 Mini kết nối Wi-Fi để gửi dữ liệu nhiệt độ về ESP8266 trung tâm thông qua phương thức HTTP POST (Client gửi yêu cầu trực tiếp đến Server nội bộ). Vòng tay được cấp điện bởi pin Li-Po 3,7V dung lượng 500 mAh, sạc qua module TP4056 cổng Type-C (thời gian sạc đầy khoảng 35 phút), sau đó dòng điện được kích lên 5V qua mạch tăng áp Boost T64 rồi hạ áp ổn định về 3,3V qua IC LM1117T-3.3 để nuôi toàn mạch.

3. Dải nhiệt độ hoạt động và kích thước của chăn sưởi trong đề tài được giới hạn ở thông số nào?

Theo phần giới hạn đề tài ở Chương 1, hệ thống được thiết lập khống chế dải nhiệt độ làm việc từ 25°C đến 40°C nhằm phù hợp với ngưỡng nhiệt độ sinh lý an toàn cho cơ thể người. Kích thước của chăn sưởi gia công thực tế là 1,2 m chiều rộng và 2,0 m chiều dài.

4. Tại sao hệ thống trung tâm lại sử dụng rơ le bán dẫn (Solid State Relay SSR-60DA) để điều khiển thanh gia nhiệt thay vì rơ le cơ khí thông thường?

Thanh nhiệt điện trở chữ U đòi hỏi điều khiển đóng ngắt liên tục theo chu kỳ tính toán từ giải thuật PID để duy trì ổn định nhiệt độ khí. Rơ le cơ khí thông thường có tiếp điểm đóng cắt cơ học dễ phát sinh tia lửa điện, gây tiếng ồn, tốc độ chuyển mạch chậm và nhanh mòn tiếp điểm khi đóng ngắt tần suất cao. Rơ le bán dẫn SSR-60DA sử dụng linh kiện bán dẫn (Triac kết hợp cách ly quang Opto-coupler), cho phép chuyển mạch đóng ngắt cực nhanh, êm ái, an toàn tuyệt đối về điện và độ bền cao.

5. Hệ thống đạt được bao nhiêu phần trăm mục tiêu đề ra và vì sao chưa thể ứng dụng ngay trong bệnh viện?

Theo kết quả đánh giá thực nghiệm của tác giả ở phần tóm tắt và Chương 5, hệ thống hoàn thành đạt khoảng 90% mục tiêu ban đầu đề ra. Thiết bị chưa thể đưa vào sử dụng ngay tại các bệnh viện do chưa đạt các tiêu chuẩn y tế khắt khe, tốc độ đáp ứng gia nhiệt còn chậm, phụ thuộc hoàn toàn vào mạng Wi-Fi và chưa tích hợp hệ thống màng lọc không khí vô trùng HEPA như các thiết bị y tế thương mại chuyên dụng.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống chăn sưởi cho bệnh nhân sau phẫu thuật" của sinh viên Nguyễn Thị Thanh Nhàn và Lê Ngọc Thảo My đã hiện thực hóa thành công mô hình làm ấm đối lưu cưỡng bức kết hợp đo thân nhiệt không dây từ xa. Hệ thống kết hợp đồng bộ giữa vi điều khiển ESP8266/Wemos D1 Mini, cảm biến hồng ngoại MLX90614, thanh gia nhiệt chữ U điều khiển bằng thuật toán PID qua rơ le bán dẫn SSR, cùng ứng dụng giám sát thời gian thực trên nền tảng Firebase và MIT App Inventor. Dù còn một số điểm hạn chế về thời gian đáp ứng nhiệt, độ nhạy nút bấm và yêu cầu chứng nhận an toàn y tế lâm sàng, công trình đạt 90% mục tiêu đề ra và đóng góp một tài liệu tham khảo kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh và Hệ thống nhúng IoT.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 về hạ thân nhiệt ở người, việc hạn chế hạ thân nhiệt sẽ giảm nguy cơ nhiễm trùng và các biến chứng liên quan. Việc sử dụng chăn sưởi cho bệnh nhân cũng là một trong các phương pháp phòng ngừa hạ thân nhiệt hiệu quả. Chăn sưởi sau phẫu thuật là một thiết bị y tế quan trọng được sử dụng để duy trì nhiệt độ cơ thể bệnh nhân trong suốt quá trình điều trị hoặc phục hồi. Chăn sưởi bệnh nhân giúp ngăn ngừa và điều trị tình trạng hạ thân nhiệt, đặc biệt là trong các trường hợp bệnh nhân trải qua phẫu thuật, trong tình trạng sốc, hoặc có bệnh lý làm giảm nhiệt độ cơ thể [5].

Hiện nay, có nhiều hãng thiết bị y tế lớn có thiết bị chăn sưởi như Covidien, Bair Hugger, Gentherm,. Cấu tạo chăn sưởi Chăn sưởi sau phẫu thuật bao gồm hai bộ phận chính là máy sưởi ấm và chăn. Theo sự tìm hiểu từ các hãng cung cấp thiết bị chăn sưởi cho bệnh nhân cho thấy các thành phần cơ bản của máy sưởi gồm bộ phận cấp nhiệt, bộ phận dẫn nhiệt vào chăn, các bộ phận ngoại vi. Máy sưởi ấm làm ấm chăn bằng cách thổi khí đã được làm nóng ở nhiệt độ xác định vào bên trong chăn sưởi thông qua ống dẫn khí.1 Máy sưởi ấm Level 1™ ICU Hình 2.2 Máy sưởi ấm bệnh nhân Medical WarmTouch 6000 Covidien BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Ở hình 2.1, máy sưởi ấm của hãng ICU Medical sử dụng phương pháp đối lưu nhiệt, có bộ điều khiển nhiệt ở đầu ống hút không khí ở nhiệt độ môi trường, đến bộ lọc khí HEPA sau đó làm ấm và đưa ra đường ống dẫn đến chăn. Thiết kế này giúp bệnh nhân tránh tiếp xúc với nhiệt độ quá cao, đồng thời liên tục theo dõi các cảnh báo trên và dưới nhiệt độ cho từng cài đặt [6]. Đối với máy sưởi ấm bệnh nhân WarmTouch 6000 Covidien ở hình 2.2 cũng có thiết kế bộ lọc khí HEPA với kích thước 0.3µm cho hiệu suất lọc đạt khoảng 99,97% và đạt hiệu quả sử dụng đến 2. Dễ dàng tùy chỉnh với 5 mức nhiệt độ là 34, 40, 45, 47 và nhiệt độ phòng.

[7] Về phần chăn sưởi cho bệnh nhân có đa dạng các kích thước cho từng nhóm bệnh nhân, với từng cỡ chăn cho từng ứng dụng cụ thể. Thiết kế đa dạng dành cho từng nhóm bệnh nhân cụ thể, sử dụng chất liệu mỏng nhẹ, không chứa latex.3 Chăn sưởi dùng trong sau phẫu thuật 3M Bair Hugger Ở hình 2.3, chăn dùng cho bệnh nhân sau phẫu thuật tha, với thiết kế có kích thước lớn, che trung tâm cơ thể, giúp giữ ấm toàn diện. Ngoài dạng chăn sau phẫu thuật dùng cho toàn thân, còn có đa dạng mẫu chăn với thiết kế khác nhau tùy vào mục đích sử dụng như chăn dùng trong phẫu thuật phần dưới thân, chăn dùng trong khoa nhi, chăn dùng trong phẫu thuật đặc biết/tim, chăn dùng làm ấm phần thân trên. Tùy thuộc vào hãng khác nhau, mỗi hãng sẽ có thiết kết chăn khác nhau.

Nguyên lý hoạt động của chăn sưởi Quy trình hoạt động của hệ thống chăn làm ấm bệnh nhân Bair Hugger như hình 2.4 bắt đầu với việc chuẩn bị, sau đó chăn sưởi được đặt lên hoặc quanh bệnh nhân theo hướng dẫn cụ thể của nhà sản xuất. Khi máy làm ấm hoạt động, máy hút không khí từ môi trường xung quanh và làm nóng không khí này bằng các bộ phận nhiệt bên trong máy đến nhiệt độ đã cài đặt. Sau đó, không khí ấm được đẩy qua ống dẫn vào chăn sưởi. Không khí ấm lưu thông qua các khoang trong chăn, bao phủ cơ thể bệnh nhân bằng một lớp không khí ấm.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động chăn sưởi cho bệnh nhân hãng 3M Bair Hugger [8] Quá trình này được giám sát và điều chỉnh liên tục, nhiệt độ của không khí ấm và tình trạng của bệnh nhân được theo dõi, và các điều chỉnh cần thiết được thực hiện thông qua bảng điều khiển để duy trì nhiệt độ ổn định và an toàn. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) là vòng điều khiển tổng quát thường được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển có sự phản hồi. Bộ điều khiển gồm 3 thông số riêng biệt dùng để điều khiển các khâu, khâu tỉ lệ (P), khâu tích phân (I), khâu đạo hàm (D).

Khâu tỉ lệ có giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại đến hệ thống, khâu tích phân có giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ của hệ thống, và khâu vi phân có giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số. Tổng của ba giá trị này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như van điều khiển hay nguồn của phần tử gia nhiệt.5 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Khi sử dụng bộ điều khiển PID, cần xác định các thông số giá trị đo thông số biến đổi (Output), giá trị đặt mong muốn (Setpoint). Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị sai số (Error) là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn.

Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Quá trình tính toán trên được mô tả trong sơ đồ khối của bộ điều khiển theo hình 2. Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản về hệ thống điều khiển thì bộ điều khiển PID là sẽ bộ điều khiển tốt nhất. Trong bộ điều khiển PID bao gồm bộ điều khiển PI, PD hay P hoặc I, từng bộ điều khiển sẽ tương ứng yêu cầu sử dụng khác nhau của từng hệ thống.

Bộ điều khiển PI là bộ điều khiển khá phổ biến, vì đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu gây ra do đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn. Về lý thuyết, một bộ điều khiển có thể được sử dụng để điều khiển bất kỳ một quá trình nào mà có một đầu ra đo được (PV), một giá trị lý tưởng biết trước cho đầu ra (SP) và một đầu vào chu trình (MV) sẽ tác động vào PV thích hợp. [9] Khâu tỉ lệ làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại. Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số Kp, được gọi là hệ số tỉ lệ.1) Trong đó: ● 𝑃𝑜𝑢𝑡 : thừa số tỉ lệ đầu ra ● 𝐾𝑃 : hệ số tỉ lệ, thông số điều chỉnh ● 𝑒 : sai số = SP - PV ● 𝑡 : thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại) Ở hình 2.6 bên dưới, mô tả khâu tỉ lệ của bộ điều khiển PID theo công thức (2.1) với các giá trị 𝐾𝑃 , 𝐾I và 𝐾𝐷 theo thời gian.

Trong đó, 𝐾I và 𝐾𝐷 là 2 giá trị hằng số, cho biết hệ số của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ. Nếu hệ số của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.6 Đồ thị quá trình theo thời gian, tương ứng với ba giá trị 𝐾𝐷, 𝐾𝑃 và 𝐾𝐼 (𝐾𝐼 và 𝐾𝐷 là hằng số) Khâu tích phân phụ thuộc vào cả mức độ sai số và thời gian xảy ra sai số.

Tổng các sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta lượng bù đã được hiệu chỉnh. Lượng tích lũy này sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng vào tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển. Mức độ ảnh hưởng của khâu tích phân trong tất cả các điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích phân.2) Trong đó: ● 𝐼𝑜𝑢𝑡 : thừa số tích phân của đầu ra ● 𝐾𝐼 : độ lợi tích phân, thông số điều chỉnh ● 𝑒 : sai số = SP - PV ● 𝑡 : thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại) ● 𝜏: một biến tích phân trung gian Hình 2.7 bên dưới mô tả khâu tích phân của bộ điều khiển PID theo công thức (2.2) với các giá trị 𝐾𝑃 , 𝐾I và 𝐾𝐷 theo thời gian. Trong đó, 𝐾𝑃 và 𝐾𝐷 là 2 hằng số.

Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình tới điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.7 Đồ thị quá trình theo thời gian, tương ứng với ba giá trị 𝐾𝐷, 𝐾𝑃 và 𝐾𝐼 (𝐾𝑃 và 𝐾𝐷 là hằng số) Tốc độ thay đổi của sai số quá trình được tính toán bằng cách xác định độ dốc của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ này với độ lợi tỉ lệ. Biên độ của phân phối khâu vi phân (đôi khi được gọi là tốc độ) trên tất cả các hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ lợi vi phân.3) 𝑑𝑡 Trong đó: ● 𝐷𝑜𝑢𝑡 : thừa số vi phân của đầu ra ● 𝐾𝐷 : độ lợi vi phân, thông số điều chỉnh ● 𝑒 : sai số = SP - PV ● 𝑡 : thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại) Hình 2.8 bên dưới mô tả khâu vi phân của bộ điều khiển PID theo công thức (2.3) với các giá trị 𝐾𝑃 , 𝐾𝐼 và 𝐾𝐷 theo thời gian.

Trong đó, 𝐾𝑃 và 𝐾𝐼 là 2 hằng số. Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính này là đáng chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển. Từ đó, điều khiển vi phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.8 Đồ thị quá trình theo thời gian, tương ứng với ba giá trị 𝐾𝐷, 𝐾𝑃 và 𝐾𝐼 (𝐾𝑃 và 𝐾𝐼 không đổi) Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân được cộng lại với nhau từ các phương trình (2.3) để tính toán đầu ra của bộ điều khiển PID. Định nghĩa rằng 𝑢(𝑡 ) là đầu ra của bộ điều khiển, biểu thức cuối cùng của giải thuật PID là: [9] 𝑡 𝑑 𝑢(𝑡 ) = 𝐾𝑃 .