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POUSSE SERINGUE – Baccalaureat STI Génie électronique 1993 - Présentation

POUSSE SERINGUE ELECTRONIQUE

PRÉSENTATION - MISE EN SITUATION DU SYSTÈME EXPRESSION DU BESOIN

Le pousse-seringue (voir figure1) permet l'injection programmée, à travers un système de perfusion de type courant, d'un liquide dans le sang du patient. La programmation de l'injection porte sur : Ø le débit, qui s'exprime en millilitres par heure (de 0,1 à 99,9 par pas de 0,1) ; Ø le temps total de perfusion (de 1 à 24 heures).

PRESENTATION DU SYSTEME Le fonctionnement de l'appareil est basé sur le principe de la poussée d'un piston de seringue. Cette poussée est obtenue à l'aide d'un mécanisme à crémaillère. Le piston et le corps de la seringue sont retenus de manière à éviter l'avance de ceux-ci lorsqu'une dépression est créée à l'intérieur de la seringue.

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IDENTIFICATION ET DEFINITION DES ELEMENTS DU SYSTEME ◊ Rôle du praticien. Il assure : Ø le remplissage de la seringue ; Ø le raccordement de celle-ci au prolongateur de perfusion ; Ø la programmation et la mise en route de l'ensemble ; Ø la surveillance des alarmes sonores et visuelles.

◊ Rôle du patient :

Il n'a aucun rôle actif. ◊ Fonction du pousse-seringue :

Il assure le transfert du liquide de la seringue dans les veines du patient à travers le système de perfusion, en fonction de la programmation indiquée par le praticien.

DESCRIPTION SOMMAIRE

Le praticien ouvre une pince en dévissant le bouton 12 (voir fig 2). Le bouton 7 sert à adapter manuellement la position du poussoir 17. à la taille de la seringue. En tirant puis tournant le bouton 7 un servo-moteur se débraye Le praticien pose la seringue sur le corps de l’appareil en introduisant la tête du piston contre la pièce 17 et bloque la tête à l’aide de 12. Il programme ensuite le cycle d’injection. Le servo-moteur se met à fonctionner. Le piston progresse dans le corps de la seringue injectant alors le liquide.

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ANALYSE FONCTIONNELLE SCHEMA FONCTIONNEL DU POUSSE - SERINGUE, OBJET TECHNIQUE DE L'ETUDE :

ALIMENTATION

FP2

SAISIR (DONNEES)

FP1

AFFICHER FP3

INTERFACER (MOTEUR)

FP6

traiteR

FP4

GERER (ALARMES)

FP5 MOTEUR

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DESCRIPTION (LES SCHEMAS STRUCTURELS SONT EN ANNEXE)

FP1 : Clavier situé en face avant de l'objet technique.

Il permet : Ø la mise en/hors fonctionnement, Ø la programmation : ü du débit, ü du temps de perfusion,

Ø l'appel à tout instant : ü du volume cumulé injecté, ü du temps cumulé de perfusion,

Ø l'arrêt provisoire du transfert de liquide (touche PAUSE).

FP2 : Alimentation. L'ensemble de l'objet technique est alimenté par une tension inférieure à la Très Basse Tension Médicale de Sécurité (TBTMS), c’est-à-dire inférieure à 24 V.AC ou 50 V.DC. La source d'énergie de FP2 est : Ø soit une tension secteur 220 V 50 Hz, Ø soit une prise extérieure supportant une alimentation de 9 V à 30 V .DC (un véhicule par exemple) ou 12 V.AC. Ø soit une batterie d’accumulateurs internes (6V ; 1Ah assurant 5h d’autonomie minimum)

FP3 : Situé en face avant de l'objet technique. Il comporte :

Ø la visualisation du temps et du débit, Ø un ensemble de témoins de couleur : ü jaune fixe : présence secteur, ü vert fixe : fonctionnement sur batterie ou source extérieure, ü vert clignotant : perfusion en cours, ü rouge clignotant : alarme (complétée par un code d'anomalie sur la visualisation).

FP4 : L'unité centrale qui gère l'ensemble de l'objet technique est un microprocesseur de type "MONOCHIP". Il intègre dans un boîtier : un 6800, de la RAM et les ports d'entrée/sortie. La mémoire d'instructions est une Reprom CMOS de type 27 C 32.

FP5 : Gestion des alarmes sonores et visuelles : Ø fin de perfusion (seringue vide), Ø occlusion (cathéter bouché), Ø préalarme fin de perfusion (temps écoulé), Ø préalarme fin de perfusion (quantité de liquide), Ø absence de seringue ou seringue non maintenue, Ø préalarme décharge batterie, Ø décharge batterie, Ø débrayage du système mécanique, Ø défaut de fonctionnement FP4.

FP6 : Assure la rotation du moteur pas à pas 4 phases :

Ø génération des phases du moteur, Ø interface de puissance entre FP4 et le moteur.

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POUSSE SERINGUE BAC 1993 - Partie électronique

PARTIE B - ELECTRONIQUE MISE EN SlTUATI0N DE L'ETUDE ELECTRONIQUE

L'étude électronique portera notamment sur les équipements assurant la commande du moteur qui pousse la seringue suivant le dispositif étudié en construction.

QUESTIONNAIRE

DIAGRAMME SAGITTAL DU SYSTEME

Compléter le diagramme sagittal ci-dessus en donnant un nom aux 2 éléments du système qui n’en ont pas.

Indiquer la nature des liaisons L4 et L5.

ð L4 :……………………………………………………………………………………………………..

ð L5 :……………………………………………………………………………………………………..

Préciser quels sont les paramètres de l’injection qui sont programmés par le praticien.

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Pousse-seringue (+ seringue)

Alimentation en énergie

SYSTEME DE PERFUSION

(PROLONGATEUR)

L1 : énergie électrique

L2 : remplissage de la seringue L3 : mise en route et

raccordement au prolongateur L4

L5

L6 : liquide

L7 : liquide

L7 :

Raccordement du pousse seringue au prolongateur

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I - ETUDE DE FP2

I-1 SCHEMA FONCTIONNEL DE 2EME DEGRE : I-2 ETUDE STRUCTURELLE FS23 :

ON ADMET UNE CHUTE DE POTENTIEL AUX BORNES D'UNE DIODE DE 0,6 V.

QUESTIONS QI-1 - Choisir dans l'annexe le condensateur chimique qui convient (C14), envisager le cas extrême (voir FP2). …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… QI-2 - D'après l'annexe calculer la valeur de R2 pour obtenir 7, 2V en sortie (R1 = 240Ω ). Dimensionner R2 dans la série E24 (annexe). …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… QI-3 - L'alimentation extérieure est de 12 V (12 V efficace) . Quelle tension maximum apparaît aux bornes de C14 ? ………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

CONVERTIR 1

FS23

CONVERTIR 2

FS22

STA

BIL

ISE

R

ET

CO

NT

RO

LE

R

F

S21

SOURCE EXTERIEURE

SECTEUR 220V

+6,6V

FP2

C13 : tantale goutte 4,7µF/25 V C14 chimique 100µF / ??V

TR2 régulateur LM317 T C14

TR2

C13

R1

R2

Vers FS21

0V

SOURCE EXTERIEURE

+ +

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QI-4 - Des mesures fournissent Ø 16 V aux bornes de C14 Ø 7,2 V aux bornes de C13 Ø I =0,5A (intensité débitée par TR2)

Quelle est la puissance dissipée par la microstructure TR2 ? …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… QI-5 - Quelle puissance devra dissiper TR2 lorsque la source extérieure est 30 V continu, dans les mêmes conditions de débit et de tension de sortie que QI-4 ? …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… QI-6 - La prise d'alimentation « source extérieure » doit-elle indiquer une polarité pour l'arrivée d'une tension continue ? Justifiez votre réponse. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

I-3 ETUDE STRUCTURELLE FS21 :

QI-7 – En adoptant les conventions suivantes : ♦ Tension présente au point A : A=1 (idem pour B et C). ♦ Tension absente au point A : A=0 (idem pour B et C). ♦ Présence batterie E=1 (absence E=0).

♦ Contact du relais fermé I=1 (ouvert I=0). ♦ DL allumée =1 (éteinte =0). ♦ X état indifférent

Compléter le tableau ci-dessous :

A B E I C DL4 DL3 0 0 0 X 1 X 0 0 1 X 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1

R[I]

E

FS23

FS22

B D11

D1 A C

d

s

g

R11 R12

DL3 DL4

Fusi

ble

R

Cha

rge

+

-

T4

T4 : transistor MOS (voir annexe) R11=R12=560Ω D1=D11=1N4004 R[I] contact relais de mise en service de l’OT

QI-8 – De fait DL4 et DL3 sont recensées dans FP3, compte tenu de leur fonctionnement en déduire la couleur respective de ces diodes.

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

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II ETUDE DE FP6 II-1 SCHEMA FONCTIONNEL DE 2EME DEGRE : II - 2 ETUDE STRUCTURELLE FS61 :

Table de vérité de la bascule utilisée

CK D R S Qn+1 Q n+1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 X 0 0 Qn Q n

X X 1 0 0 1 X X 0 1 1 0 X X 1 1 1 1

QII-2 – Compléter le chronogramme ci-dessous :

GENERER PHASE MOTEUR

FS61

INTERFACER (PUISSANCE)

FS62

CK

4

MOTEUR

INTERFACER (SURVEILLANCE

MOTEUR) FS63

CD

FP4

FP5

PB7 Cde IC1

FP6

4 6

4

CK=PB7

t

Ph1

t

Ph2

t

Ph3

t

QII-1 – Quel est le type de bascule utilisé ?

………………………………………………………………………………………………………………………………………

Ph4

t

FS61

PB7

Ph1 S Q D CK

R Q Ph2

Ph3 S Q D CK

R Q Ph4

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II - 3 ETUDE STRUCTURELLE FS62 :

QII-6 - Justifiez la présence des diodes branchées aux collecteurs des transistors. ………………………………………………………………………………………………………………… QII-7 – Indiquez ci-dessous (dans la case en pointillé) par une flèche le sens de rotation du moteur, compte-tenu du chronogramme établi en QII-2.

QII-3 - Quel est le type des transistors utilisés (NPN ou PNP) ? ……………………………………………………………………

QII-4 – Quel niveau de tension doit-on trouver en ph1 pour exciter L1 ? ………………………………………………………………………………………………………………… QII-5 – D’après le document MC1413 joint (voir annexe)

Quel est le type de montage utilisé ? …………………………………………………… ……………………………………………………

Quelle est la principale caractéristique de ce montage ? …………………………………………………… ……………………………………………………….………………………………………………

N S

L3

+

L4

L2 L1 +

Le rotor (un aimant permanent ) s’aligne sur le champ crée dans le stator par les quatre bobines. L’exemple est fourni par le schéma en considérant les polarités suivantes : L1 au 0V L2 au + ou ‘‘en l’air’’ L4 au 0V L3 au + ou ‘‘en l’air’’ NB : la convention adoptée pour ce schéma est la suivante :

0V + +

N S ΦΦ

+ 0V +

S N ΦΦ

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III - ETUDE FP5 (GESTION DES ALARMES) Parmi la liste décrite dans l'analyse fonctionnelle nous étudierons : FS 51 : surveillance de l'alimentation, FS 52 : surveillance d'un fonctionnement correct du microprocesseur, FS 53 : détection présence seringue, FS 54 : interface sonore, FS 55 : initialisation de l’objet technique. III-1 - ETUDE STRUCTURELLE FS 51 :

Les comparateurs sont alimentés entre +5V et 0V T7 = BC 171B DZI = zéner de 5 V DZ2 .= zéner de 2,5 V IC 14 = LM 358 R16 = 160Ω

R17 = 1kΩ R18 = 100KΩ R19 = R20 = 10KΩ R22 = 1MΩ

R27 = 3KΩ R29 = 1,l KΩ R30 = 75 KΩ R31 = 4,7KΩ

III-2 - ETUDE PRELIMINAIRE

III-2 – 1 Soit le schéma structurel suivant :

∞∞

- +

+

U E V

Vs

R1

R2

E et U sont des tensions continues (au sens électronique du terme). L'amplificateur représenté est identique à ceux de la fonction FS51, et nous considérerons son gain infini et ses courants d’entrée nuls. Il est alimenté entre Vcc et la masse

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QUESTIONS QIII-1 - Exprimer V en fonction de E, Vs, R1 et R2. ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………

La valeur de E est fixé à 2

Vcc pour les questions suivantes

QIII-2 - Exprimer V0, valeur de V lorsque Vs = 0 volt. ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… QIII-3 - Soit V1 la valeur atteinte par V quand Vs = Vcc. Exprimer V1 en fonction des seules variables Vcc et V0 et des constantes R1 et R2. ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… QIII-4 - Application numérique R1 = 4 KΩ E = 2,5 V R2 = 1 KΩ Vcc = 5 V Sur la feuille réponse, tracer la courbe1 vs=f(t), sachant que u(t) évolue en fonction du temps comme indiqué sur le document réponse. QIII-5 – Comment appelle t-on ce type de montage quand V1 est différent de V0 ? ………………………………………………………………………………………………………………… III-2 – 2 Application sur FS51 :

On utilisera 2 couleurs distinctes pour chacun des tracés demandé, et on inscrira les points caractéristiques (notamment, la valeur de Ve(t) au changement d’états de UP2(t).

QIII-6 – Compte tenu de l’évolution de la tension Ve, tracer sur la feuille réponse :

(voir schéma structurel FS51). L’évolution dans le temps des tensions au points L et P1. (courbe 2) L’évolution dans le temps des tensions au points N et P2. (courbe 3)

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III-3 ETUDE STRUCTURELLE FS52

R4 = 33 KΩ ; R5 = 15 KΩ ; C3 = 100 nF ; C4 = 22 nF; IC5 = MC14538

QIII-7 - En fonction du document constructeur (voir annexe) calculez T, durée de l'état instable de l'élément IC5-1. ………………………………………………………………………………………………………………… QIII-8 - Effectuez le même calcul pour IC5-2. ………………………………………………………………………………………………………………… QIII-9 - Complétez le chronogramme ci dessous :

QIII-10 – Sachant que 2RS indique une alarme de dysfonctionnement du microprocesseur, ce dernier expédie régulièrement à FS52 l’impulsion H.

Quelle est la fréquence minimale de H pour éviter l’alarme 2RS ? …………………………………………………………………………………………………………………

H’

t

RS2

t

t

H 1cm à 1ms

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III-4 - ETUDE STRUCTURELLE FS53

III-4-1 - Mise en situation

DETECTION POSITIONNEMENT MAINTIEN SERINGUE

Schéma structurel

QIII-11 - Le fabricant de l'appareil a opté pour des TIL 145. Pour ce composant Vd = 1,5 V Calculer R39, R40 et choisir les valeurs dans la série E12. (Voir spécifications constructeur en annexe). ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………

K1 et K2 Fourches optoélectroniques K1 Cap.4 K2 Cap.5 Caractéristique de transfert d’une porte du

CD 4030

VDD/2 VDD

Ve

Vs

VDD

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QIII-12 - Compléter le tableau ci-dessous dans lequel vous indiquerez : - dans la colonne X : la tension VXM, - dans la colonne Y : la tension VYM, - dans la colonne S : un niveau logique S.

K1 K2 VXM VYM S

Libre Libre OBTurée Libre OBTurée OBTurée

NB : Libre signifie qu'aucun obstacle n'intercepte le faisceau qui part de la diode pour exciter le transistor ;

Obturée signifie qu'un obstacle masque le faisceau émis par la diode. III-5 - ETUDE STRUCTURELLE FS54

III-5-1 - Schéma structurel :

C10 = 10nF D10 = D6 =1N4148 IC4 = NE 555

R1=5,6KΩ R2 = 33KΩ R3 = 100KΩ

R14 =10Ω R32=1MΩ RN4=10KΩ

T1 MOS canal N T2 MOS canal P

QIII-13 - F est le signal qui entre sur la broche Reset de IC4. PA6 issu de FP4 et TA issu de FP1 sont des signaux de type logique (1 = 5V et 0 = 0V). Compléter le tableau ci-dessous (on se servira de l’annexe pour remplir la colonne Sortie Q).

PA6 TA F Sortie Q de IC4 0 0 0 1 1 0 1 1

Quelle est la fonction logique réalisée par l'ensemble D10, D6 et R32 ? …………………………………………………………………………………………………………………

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QIII-14 - En s'appuyant sur la documentation du NE555 (annexe ) et en considérant que le signal F valide IC4, calculer la fréquence du signal de sortie (broche 3) de IC4. ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… QIII-15 - En utilisant les signaux précédents et caractéristiques de Tl, T2 (MOS annexe 3 ), compléter le tableau ci-dessous : NB : Devront figurer : 1°) une tension dans les colonnes exprimant une tension. 2°) les indications "sat" ou "bloq" dans les colonnes Tl et T2 3°) l'indication HP lorsque le HP est excité, HP lorsque le HP n'est pas excité.

TRANSISTOR T1 TRANSISTOR T2 SORTIE Q

DE IC4 VGS VDS ETAT T1 VGS VDS ETAT T2 HAUT

PARLEUR HP

0 1

IV - ETUDE DE FP4, UNITE DE TRAITEMENT

ETUDE FS4.3 : mémoire EPROM, circuit IC3, schéma structurel général (annexe).

QIV-1 – En analysant le bus d’adresse du circuit IC3., exprimer en Kilo-octets, la capacité de cette mémoire. ………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………

QIV-2 – Le système comprend deux programmes : - Le programme 1 est stocké dans l’espace adressable, pour A11=0 (K en position 0). - Le programme 2 est stocké dans l’espace adressable, pour A11=1 (K en position 1). - Compléter en binaire les adresses extrêmes - Les convertir en hexadécimal.

A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 HEXA 0

A11=0 programme 1

0

1

A11=1 programme 2

1

QIV-3 – Exprimer en décimal IC3 le nombre maximal d’octets qui pourront être stockés dans chaque programme. ………………….……………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………

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POUSSE SERINGUE – Baccalaureat STI Génie électronique 1993 - Document réponse

NOM : …………………….. CLASSE : …….

FEUILLE REPONSE

COURBE 1 V(t)

COURBE 2 UP1 et ULM

COURBE 3 UP2 et UNM

t

5V U(t)

Vs(t)

t

7V

Ue(t)

4V

UP1 et ULM

t

7V

Ve(t)

4V

UP2 et UNM

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POUSSE SERINGUE – BAC 1993 - Annexes

LM317

P

R

i I

Ve Vs

u + +

ANNEXE 1

LISTE DES CONDENSATEURS DE 100µF

Repère 100/16 100/25 100/40 100/63 100/100 100/160 100/250 Tension

Nominale 16/18V 25/30V 40/48V 63/78V 100/115V 160/200V 250/300V

La capacité nominale est définie à 100 Hz et à température ambiante. La tension nominale est la tension continue maximale applicable en utilisation maximale. Dans le cas d'une tension complexe (tension alternative superposée à une tension continue), il est nécessaire de vérifier que la tension résultante ne dépasse pas la tension nominale du condensateur.

LM 317 T – TR1 et TR2 Le LM 317 est un régulateur de tension positive à 3 broches pouvant débiter 1,5 A sous une tension de sortie allant de 1,25 V à 37 V, ils ne nécessitent que deux résistances externes. La tension différentielle entre l'entrée et la sortie ne doit pas dépasser 40 V. Schéma proposé par le constructeur :

TRANSITOR MOS Transistor MOS canal N Transistor MOS canal P

Vgs

T1 Vds Vgs T2 Vr

0V Bloqué +V 0V Bloqué 0V +V Saturé 0V -V Saturé +V

R = 240ΩΩΩΩ (valeur recommandée par le fabricant) P = potentiomètre de 5 KΩΩΩΩ

NB : i est négligeable devant 1

La structure interne impose une tension u = 1,25 volt constante.

Vds

d

s

g

+V

T1

R

Vr

d

s g

+V

T2

R R2 R1

Rb

C

E

B

Rb=2,7KΩ R1=7,2KΩ R1=3KΩ

MC1413

Chaque transistor dessiné sur leschéma structurel peut se représentercomme suit :

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POUSSE SERINGUE – BAC 1993 - Annexes

Broche RESET

RESET=0 RESET=1

S

S

t

t

ANNEXE 2

MC14538 Double monostable de précision à technologie CMOS.

Symbole - Application Table de vérité

RESET TRh TRl Q1 n+1

0 X X 0 1 VSS Q1n Rem1

1 VDD Rem2

1 VSS Rem2

1 VDD Q1n Rem1

VDD !16 (+Alim) VSS!8 GND

Valeur minimale Rx = 4 k Valeur minimale Cx = 5 nF

NB : - Dans tous les cas, les sorties Q et Q sont complémentées - Durée de l'état instable T=RxCx Rem 1 : la sortie Q conserve l'état antérieur. Rem 2 : indépendamment de son état antérieur la sortie Q est à 1 pendant la durée T. Les deux monostables sont redéclenchables.

NE555

Montage en astable 555

CRRf

BA ).2(44,1

+=

1≥

R

Q1

Q1

TRh

TRl

Reset

Rx

Cx

VDD

Cx RCx

Série E 24

10 11 12 13 15 16 18 20 22 24 27 30 33 36 39 43 47 51 56 62 68 75 82 91

Reset Vcc

R Vcc

TR

CV THR

Dis

Q

RA

RB

C

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