摘 要：醫(yī)用控溫儀控制系統(tǒng)是醫(yī)用控溫儀的重要組成部分，通過對(duì)制冷系統(tǒng)的各部分的溫度檢測(cè)和操作人員對(duì)溫度的設(shè)定實(shí)現(xiàn)醫(yī)用控溫儀的溫度控制。文章在研究、參考國(guó)內(nèi)外醫(yī)用控溫儀控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，充分利用現(xiàn)代電子、傳感器、液晶顯示等方面的技術(shù)成果，開發(fā)了更人性化、效果更好的醫(yī)用控溫儀控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅有溫度顯示、計(jì)時(shí)等常規(guī)功能，而且抗干擾能力強(qiáng)，還具有存儲(chǔ)記憶等更實(shí)用的功能。

　　近幾十年來，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)對(duì)很多神經(jīng)內(nèi)科疾病采用亞低溫治療手段。亞低溫治療又稱冬眠治療或人工冬眠，通過人工干預(yù)的方法，使病人的體溫降低，從而達(dá)到治療的目的。本文設(shè)計(jì)的醫(yī)用控溫儀在醫(yī)療方面主要應(yīng)用于亞低溫治療，且屬于選擇性頭部降溫。通過對(duì)各種降溫方式進(jìn)行比較，蒸汽壓縮式制冷循環(huán)技術(shù)應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)且較為廣泛，安全性與可靠性以及技術(shù)成熟度都較高，故采用這種方式。該循環(huán)方式主要有壓縮機(jī)、熱量交換器、散熱器、干燥過濾器組成，其中熱交換器內(nèi)部中設(shè)有環(huán)狀換熱管，散熱器為板式結(jié)構(gòu)其側(cè)面設(shè)有冷卻風(fēng)扇。制冷劑通過制冷循環(huán)將熱交換器中的熱量帶走，使熱交換器內(nèi)部液體冷卻介質(zhì)冷卻下來。同時(shí)熱交換器外部有水泵將其內(nèi)部液體冷卻介質(zhì)循環(huán)經(jīng)過冰帽，使得冰帽內(nèi)部溫度達(dá)到亞低溫狀態(tài)從而對(duì)患者進(jìn)行治療。

　　1 醫(yī)用控溫儀控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

　　溫控儀控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，通過溫度傳感器采集幾路的溫度數(shù)值來控制制冷系統(tǒng)與循環(huán)系統(tǒng)的啟停從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的溫度控制；同時(shí)通過液晶顯示與鍵盤實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，使得操作過程簡(jiǎn)潔方便。實(shí)現(xiàn)上述功能的醫(yī)用控溫儀控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)方面：

　　1）微控制器系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的中心部分，由單片機(jī)及其最小系統(tǒng)構(gòu)成，負(fù)責(zé)采集傳感器信號(hào)與按鍵信號(hào)、實(shí)現(xiàn)溫度控制、輸出制冷控制信號(hào)、實(shí)現(xiàn)液晶顯示、實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)功能等；

　　2）溫度傳感器模塊：測(cè)量各路溫度，并將溫度值輸出給微控制器；

　　3）人機(jī)交互通道：由液晶顯示屏與按鍵組成，讓使用者能更方便舒適的操作儀器；

　　4）控制輸出系統(tǒng)：接受微控制器的輸出信號(hào)，控制制冷系統(tǒng)的通斷，并實(shí)現(xiàn)弱電控制系統(tǒng)與強(qiáng)電制冷系統(tǒng)的隔離，以保證控制系統(tǒng)的安全與可靠；

　　5）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的記憶功能，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在該模塊中以保存數(shù)據(jù)防止斷電消失；

　　6）電源模塊：為整個(gè)系統(tǒng)提供所需的直流電源，防止外部的電源干擾影響系統(tǒng)工作。

　　系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。

　　圖1 醫(yī)用控溫儀控制系統(tǒng)總體框架圖

　　2 醫(yī)用控溫儀控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

　　以Atmel公司生產(chǎn)的具有低功耗、高性能特點(diǎn)的8位單片機(jī)AT89C55WD 為硬件核心。通過數(shù)字溫度傳感器AD7416采集系統(tǒng)溫度，具有體積小、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。人機(jī)交互方式采用通過按鍵輸入命令與通過液晶模塊ET-240128AV7顯示系統(tǒng)參數(shù)，具有操作方便、美觀大方等優(yōu)點(diǎn)。采用存儲(chǔ)芯片HK1225-7實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能夠在斷電時(shí)也能記憶工作參數(shù)的功能。使用集成AC/DC電源模塊，既能縮小控制系統(tǒng)體積同時(shí)又保證系統(tǒng)供電平穩(wěn)。還采取了必要的抗干擾措施，如：光電隔離、按鍵軟件消抖、加入去耦電容、使用專門的看門狗芯片等，消除外界對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

　　2.1 溫度測(cè)量電路

　　采用3路測(cè)量電路分別對(duì)熱交換器內(nèi)液體冷卻介質(zhì)的溫度、冰帽內(nèi)液體冷卻介質(zhì)的溫度、人體溫度進(jìn)行測(cè)量?？紤]到系統(tǒng)對(duì)精度的要求以及傳感器的成本，選擇ANALOG DEVICE公司生產(chǎn)的AD7416數(shù)字溫度傳感器芯片來采集溫度，可以在現(xiàn)場(chǎng)采集溫度數(shù)據(jù)，直接將溫度物理量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并通過I2C通訊傳送給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。具有硬件電路簡(jiǎn)單、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在傳輸距離、轉(zhuǎn)換時(shí)間、分辨率和測(cè)溫精度等方面相對(duì)于其他溫度傳感器有很大的優(yōu)勢(shì)，這給用戶帶來了更方便的使用效果，被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域、各種環(huán)境的自動(dòng)化測(cè)試和控制系統(tǒng)中。

　　I2C串行總線接口SDA（1腳）、SCL（2腳）與單片機(jī)的P1口相連接，在信號(hào)線上加4.7 kΩ的上拉電阻，以保證信號(hào)線在空閑狀態(tài)下保持高電平。由于AT89C55WD單片機(jī)P1口內(nèi)部有10 kΩ的上拉電阻，故在外部再加10 kΩ的上拉電阻，兩個(gè)電阻并聯(lián)使得總阻值接近4.7kΩ。具體電路如圖2所示。

　　圖2 AD7416電路原理圖

　　2.2 控制輸出電路

　　制冷循環(huán)系統(tǒng)中的壓縮機(jī)與循環(huán)水泵供電電源均是220 V交流電。為了將220 V交流電與控制器內(nèi)部5 V信號(hào)相隔離，在輸出部分采用光電耦合雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器MOC3083芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行光電隔離，然后驅(qū)動(dòng)雙向可控硅元件使制冷系統(tǒng)進(jìn)行工作，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷系統(tǒng)的控制。這樣可以避免外界信號(hào)對(duì)控制系統(tǒng)的干擾，保證控制器的穩(wěn)定工作。

　　可控硅是一種功率半導(dǎo)體器件，簡(jiǎn)稱SCR，也稱晶閘管。它分為單向可控硅和雙向可控硅，在微機(jī)控制系統(tǒng)中，可作為功率驅(qū)動(dòng)器件?？煽毓杈哂锌刂乒β市?、無(wú)觸點(diǎn)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在交流電機(jī)調(diào)速、調(diào)速、隨動(dòng)等系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)使用MOC3083光電耦合模塊與可控硅配套使用來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)弱電控制信號(hào)控制220V強(qiáng)電的通斷。具體電路圖如圖3所示。

　　圖3 控制輸出電路

　　單片機(jī)的控制輸出端分別是P3.3與P3.5，其中P3.3輸出端控制壓縮機(jī)的工作，P3.5輸出端控制循環(huán)水泵的工作。當(dāng)輸出端輸出低電平時(shí)，光電耦合模塊MOC3083導(dǎo)通，可控硅導(dǎo)通從而使壓縮機(jī)或者循環(huán)水泵工作。其中可控硅選用BTA20-600B，其最大導(dǎo)通電流為20 A、耐壓600 V、觸發(fā)電流50 mA，能夠滿足工作需要。

　　2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

　　醫(yī)用控溫儀控制系統(tǒng)在每一次上電初始化后，其狀態(tài)都應(yīng)該與上一次斷電時(shí)的工作參數(shù)保持一致，這就要求系統(tǒng)在無(wú)電狀態(tài)下能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)不丟失。本控系統(tǒng)需要保護(hù)的數(shù)據(jù)有：冰帽設(shè)定溫度、工作時(shí)間和制冷設(shè)定溫度。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，選用NVRAM HK1225-7芯片保存數(shù)據(jù)。該NVRAM是完全靜態(tài)非易失性存儲(chǔ)SRAM組成8KB*8位存儲(chǔ)芯片，每片SRAM有一個(gè)自帶鋰電源與控制電路，經(jīng)常監(jiān)視電壓是否低于容許值，當(dāng)?shù)陀谌菰S值時(shí)鋰電源自動(dòng)接通，寫保護(hù)無(wú)條件啟動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)。HK1225-7存儲(chǔ)芯片可執(zhí)行的寫循環(huán)次數(shù)沒有限制，微處理器界面也不需要附加支持電路。

　　HK1225-7與單片機(jī)的接口電路如4所示。

　　圖4 HK1225-7與單片機(jī)接口電路

　　HK1225-7與單片機(jī)接口電路采用掛總線的方式連接，HK1225-7的數(shù)據(jù)總線與P0口相連接，地址總線的低8位通過鎖存器HD74LS373P與單片機(jī)的P0口相連接，高5位地址均接地，其尋址范圍為0000 0000H~FFFF FFFFH，完全滿足系統(tǒng)使用；地址總線通過鎖存器與單片機(jī)相連是因?yàn)榈刂房偩€與數(shù)據(jù)總線是復(fù)用的，P0口在每個(gè)CPU周期的前半個(gè)周期輸出低8位地址，由地址鎖存器鎖存，然后由地址鎖存器代替P0口輸出低8位地址，后半個(gè)周期進(jìn)行8位數(shù)據(jù)的輸入輸出，地址鎖存信號(hào)通過單片機(jī)的ALE輸出端輸出，ALE輸出端與鎖存器的使能端相連接；當(dāng)單片機(jī)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE以每個(gè)機(jī)器周期兩次的信號(hào)輸出，以實(shí)現(xiàn)對(duì)低8位地址的鎖存。

　　3 醫(yī)用控溫儀控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　本控制系統(tǒng)是以AT89C55WD單片機(jī)為硬件核心，軟件編程是在KEIL軟件中進(jìn)行的。在本設(shè)計(jì)中，主程序模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)調(diào)用各個(gè)功能模塊，如圖5所示。

　　圖5 軟件功能結(jié)構(gòu)框圖

　　程序在上電后調(diào)用程序初始化模塊先進(jìn)行相應(yīng)的初始化，比如開啟喂狗定時(shí)器、設(shè)置喂狗中斷、顯示初始界面、設(shè)置計(jì)時(shí)定時(shí)器等功能；然后調(diào)用存儲(chǔ)模塊對(duì)存儲(chǔ)芯片的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀??；然后進(jìn)入按鍵掃描與處理階段，此處與液晶顯示屬于人機(jī)交互模塊；最后調(diào)用讀取溫度數(shù)據(jù)模塊及控制模塊進(jìn)行控制。

　　程序?qū)纹瑱C(jī)的硬件資源的使用包括3個(gè)16位的定時(shí)器：定時(shí)器1用來定時(shí)通過中斷以實(shí)現(xiàn)喂狗功能；定時(shí)器2用來控制系統(tǒng)工作時(shí)間的計(jì)時(shí)，并通過液晶顯示屏顯示；定時(shí)器3用來初上電計(jì)時(shí)預(yù)留時(shí)間給壓縮機(jī)預(yù)熱，且當(dāng)控制器5min沒有接收到工作信號(hào)，控制系統(tǒng)自動(dòng)按上次參數(shù)工作。

　　控制模塊包含兩個(gè)部分：一個(gè)是對(duì)循環(huán)水泵的輸出控制；另一個(gè)是對(duì)制冷壓縮機(jī)的輸出控制?？刂颇K根據(jù)按鍵掃描與處理模塊的工作信號(hào)來決定工作與否，根據(jù)按鍵掃描與處理模塊的設(shè)置的控制數(shù)據(jù)來判斷控制輸出與否。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　經(jīng)過實(shí)際調(diào)試與驗(yàn)證，本控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、控制靈活、性能可靠等一系列優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)的需要，具有較好的應(yīng)用與推廣價(jià)值。