基于ARM的医用控温毯的控制系统的设计Word格式文档下载.docx

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Abstract

Withthedevelopmentofmedicalscienceandtechnology,theinventionofmedicalinstrumenttemperaturecontrolblanketwhichcanphysicallycontrolbodytemperaturehassolvedthetreatmentproblemsofsomespecialpatientsinclinicaldepartments.Butthesurveyfoundthatmostmedicaltemperatureblanketwillnotbeabletoaccuratetemperaturecontrol,safeandconvenientalsowantstoimprovethesedisadvantages,thisdesignreferenceforthedomesticandforeignmedicalproductfunctionandthedesignoftemperaturecontrol,basedonmakefulluseofembeddeddevelopmenttechnology,basedonthetouchscreentechnology,digitalsensortechnologymedicalARMblankettemperaturecontrolsystemdesignschemeofthechip.

STM32F103RCchipasthecoreprocessor,cantouchLCDdisplay,human-computerinteraction,throughthesensortocollectthepatientdatasuchastemperatureandrealtemperatureofthesemiconductorrefrigerationmodule,controloutputpulsemodulationsignalsofdifferentdutyratio,andthecorrespondingcircuitdesignisusedtocontrolthechangeofthetemperaturecontrolmodule,makeitaccordingtothecontroloftemperaturechange;

Thisdesignusesembeddeddevelopmenttechnology,sothatthesystemcanbeexpandedandupgradedaccordingtodifferentneeds..Inordertomeetthehigherreal-timeandstabilityrequirements,theembeddedreal-timeoperatingsystemuC/OS-Ⅱisusedtodesignthecontrolsystemsoftware.Theuseoftouchcontrolmakesthecontrolofthesystemmoreuser-friendly.ThecontrolsystemisdevelopedwithKeil5software,whichprovidesuserswithsimple,easyanduser-friendlyoperationexperience.Withthedesigngoalofsafe,reliable,high-precisioncontrolandconvenientdevelopment,theproductcompetitivenessofmedicaltemperaturecontrolblanketisgreatlyenhanced,andithasgoodpracticalvalueandbroadmarketdevelopmentprospect.

Keywords:

STM32;

Temperaturecontrol;

PWM;

Sensingelement

第1章绪论

1.1国内外研究现状及研究背景

近些年来，具有控温功能的医用控温毯因为其便捷安全性以及出色的疗效等特点而受到许多临床医学家的青睐。

由于电子技术与控制技术等科学技术的发展，国外的医用控温毯产品的研究发展总体来说要超过国内。

根据可搜集到的资料来看，最初被大规模投入使用的医用控温毯产品是在60年代由美国的一家企业研制出的BlanketrolII系统，并由最初的只具有升温功能的产品，逐步完善成为同时具备降温升温功能的产品，也是世界上目前应用最为广泛，最为认可的医用控温毯产品；

同一时代的相似产品还有Baxter公司的RK系列产品，以及GayMar公司的MTA系列产品等，现如今在各个大型医院中所使用的温控产品大部分仍是国外生产的器械[12]。

国内的医用控温产品的研究起步较晚，而且研究初期我国对于此类产品的管理查验也并没有那么严格，一直到2014年才发布《医用控温毯产品注册技术审查指导原则》等相关文件，但是还没有出台相关标准，还是主要依靠各个企业自制的相关要求来进行制造。

但国内的相关类型产品在功能设计、温控精度、操作界面等方面仍存在不少问题，比如由于电磁干扰导致的仪器操作失灵而造成使用者受伤事件，还有由于安全设计方面有所不足而导致的产品警报提醒功能不完善存在安全隐患，如今就有以前医用控温毯失灵导致使用者受伤的记录再案，而国外的产品则很少会出现此类状况。

还有在温控精确度方面，国外的医用控温产品的步进精度一般都是小于±

1℃，且系统反应灵敏、温度改变速率较快；

而国内的同类型产品的实际控制精度则往往大于±

1.5℃。

使用加热管与普通制冷机对循环液体实现加热与制冷的效果，这是大部分国内的医用控温毯所运用的制造方案，所运用方法类似于国外早期的产品制造，但是普通制冷机运行由开关进行控制，如果频繁的控制会造成较差控温效果，而电加热管进行升温难免不会出现漏电的危险的可能性。

而国外对于此类控温毯的设计采用了半导体温控技术，使用半导体制冷模块无需额外的机械部件、较长的使用周期、环保无污染，而且能完成制冷又能实现升温，只需一个半导体模块的设计极大简化了产品结构又可以保证效果不会打折扣，从而拥有了更强的竞争力。

1.2研究意义及目标

在当代临床医学领域，有许多的治疗方案需要对患者的局部身体甚至全身进行物理控温处理。

物理控温治疗中较为常见的是被应用在内科、神经外科等医学领域的亚低温治疗以及一些手术之后的体温维持。

国内的医用控温毯产品与国外的相关产品相比较而言，在安全可靠性、温控精确度、操作控制界面等方面还需要很长的一段路，本设计希望通过嵌入式开发，设计出更加安全可行的医用控温毯控制系统方案，可以改善这些不足。

希望通过嵌入式开发设计完善的报警功能以及在硬件上增加更加安全可靠的保护措施从而保证系统的安全问题，使用精确的控制算法和选取合适的传感器件保证系统的精度控制。

设计此系统主要为了完成更加可靠安全的温控产品，最终能够追赶上国内外同类型产品的脚步，减小与国外同类型产品之间的差距，进一步解放医护人员劳动力、减少医疗卫生成本、提高医疗服务效率，创造更高的社会效益与经济效益[13][14]。

参考目前医疗器械市场上的其他同类型医用控温毯的功能与使用标准，对本设计提出以下几点主要实现功能作为研究方向：

（1）控制系统以STM32F103RC芯片为开发核心，可自由设定输出温度，通过PWM脉冲控制电流继而控制半导体的温度，步进温度力求控制精度小于±

0.5℃，允许小范围误差。

（2）控制系统可按照设定时间读取患者体温，能够按照需要设置体温监测范围，允许小范围误差。

（3）控制系统应建立美观的、人性化的操作界面。

（4）控制系统检测异常温度时，如检测到人体温度超限变化时具有相应的提示功能。

（5）控制系统设计方面应具有较好的可维护性和可拓展性，为以后的系统的维护、开发升级提供便利，以适应未来医疗的卫生事业的发展进步。

第2章系统总体方案设计

本设计目标是设计研发更加可靠地医用控温毯的操控系统，它能够按照设定时间采集医用控温毯各个工作点的监测信息，并同时操作输出PWM脉冲控制半导体制冷模块的温度达到使用者所设置的温度值，从而达到物理控温的目的。

本设计使用了嵌入式幵发技术，触摸液晶技术，传感器技术以及可靠的半导体控温模块完成设计目标。

2.1研究方案选择

2.1.1温度控制方案选择

目前国内医疗器械市场上大部分销售的医用控温毯的控温功能往往通过加热管加热与普通压缩机制冷循环液体来完成；

比如就降温功能这一方面来看，通过压缩机制冷实现循环液体的温度降低有降温效率高、可降温度低等优势，但是其也间接导致了医疗成本过高、器械占据空间大、使用时噪声过大、制冷剂有毒等弊端，此外如果采用普通制冷机，控制系统因其开关控制的特性，不能够随意的控制机器，导致控制效果大打折扣，也会使得循环液体温度起伏较大造成能源的浪费；

而如果使用变频压缩制冷机，则过高的医疗成本也是难以承受的，更不用说升温方面所使用的加热管安全方面得不到保证。

本系统中的温控模块计划采用半导体制冷制热装置来实现；

半导体制冷制热装置也称为热电制冷制热装置，利用半导体材料的热电效应（珀耳帖效应），给两种不同半导体材料串联成的电偶进行通电，其两端分别会形成冷端和热端，就可以在一个组件上同时实现制冷或制热的目的。

由图2.1中半导体组成的P-N结，当电流由N型半导体流向P型半导体时就会从外界吸收能量形成冷端达到制冷的效果，反之释放能量形成热端进行制热；

而通过电源正负极的反接组件也可以将冷热端进行调换。

本设计选用半导体制冷模块使用一种组件就可以实现对于温度的调节，通过控制流过半导体制冷模块的电流方向来控制其制冷或制热，控制其电流大小来控制其制冷制热量以实现较为精确的温度控制[6]。

图2.1半导体控温原理

而且随着新的制造材料的开发与科技的不断进步，半导体良好的制冷与制热能力慢慢的被我们所发掘出来，并开始进入到生活应用阶段。

半导体制冷技术因其良好的效果和环保无污染逐渐被推广开来，现如今在我们的日常生活、医疗、环境保护等各个方面进行了广泛的开发与应用。

2.1.2PWM脉冲控制

脉冲宽度调制是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。

通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。

PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全通，要么完全断。

电压或电流源通过一种通或断的重复脉冲序列加到模拟负载上去，通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。

只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码[3][5]。

在本设计中希望通过单片机具有的PWM端口，不需要进行方波周期的改变，通过软件的方法调整单片机的控制寄存器来调整PWM的占空比，从而控制电流。

单片机具有ADC端口和PWM端口，通过控制进行调整前，单片机先快速读取电流的大小，然后把需要的电流与实际读取到的电流进行比较，若实际电流偏小则向增加充电电流的方向调整PWM的占空比；

若实际电流偏大则向减小充电电流的方向调整PWM的占空比。

利用PWM脉冲控制电容中的电流，来控制MOS管的导通与关闭，进而控制电流的大小与方向。

2.2系统总体设计方案

本系统的主体是医用控温毯控制系统的软件开发设计，通过uC/OS-II嵌入式实时操作系统开发设计，利用实时操作系统uC/OS-II进行任务的管理与调度、时间与内存管理和任务间的通信和同步等功能，保证在软件系统工作运行时各个任务模块的实时性，同时代码开放的实时操作系统也有利于系统的维护与拓展，总体的软件设计大致可分为以下几个方面：

（1）信息采集任务，完成传感器与中央处理器的信息传递，首先将读取到的数据传输到液晶屏幕显示，并对读取到的温度信息进行相对应的处理。

（2）控制任务，控制完成相应的变量改变，通过发出相对应的控制信号来控制硬件电路完成设定的功能。

（3）液晶任务，将相应的传感器读取的数据和系统运行状态显示屏幕上，使用户在操作界面完成操作流程。

（4）报警任务，根据系统的运行状况及所测患者体温状况进行报警示意。



（5）时钟任务，利用中央控制器设定的定时器中断实现精准的延时功能，负责其于任务的延时处理。

而硬件电路部分，根据所要达到的设计要求，系统电路设计主要包含以下几个部分的电路设计：

（1）信息采集电路，信息采集电路要保证对于总体信息的传输，并希望可以将其与中央处理器进行隔离。

（2）触摸屏电路，将液晶串口屏与主控处理器连接，完成屏幕与中央处理器交互。

（3）蜂鸣器电路，根据测量到的温度数据，完成温度异常时报警提示。

（4）其他接口，包括采样接口、下载接口、调试接口及预留电路等。

（5）电源电路，包括电源电路接口、降压模块，为系统的各个部分提供相应的电源。

图2.2系统结构框图

第3章硬件及电路设计

为保证医用温控毯更强的实际操作性，实现医用温控毯的各项功能，控制系统的电路设计应遵循以下原则：

在系统电路的开发设计过程中，应该尽量使用现如今已经广泛应用的成熟电路。

如发现有集成芯片可以代替同样电路的功能，则应该尽量采用集成芯片，并参考其技术文件中的典型应用电路的设计，使系统电路更加可靠稳固。

在实际开发设计中，应充分考虑电路及元器件的可靠性。

当系统某一部分出现异常时，要保证控制系统依然可以运行，不会因为部分电路维护而影响整个系统。

为了系统运行调试的方便，要提前保留一些测试点和接口。

例如，输入输出信号电路和调试信号电路应预留相应的测试点，以观察相应的信号在调试或维护时是否满足设计要求；

要充分考虑以后的扩容升级，在满足现有系统功能要求的前提下，为以后的系统拓展或升级保留必要的接口，促进功能的完善[15]。

3.1主控电路设计

3.1.1中央处理器简介

作为整个系统的灵魂，中央处理器与控制系统的信息处理与功能运行息息相关，之后的实际电路开发就开始围绕其进行展开，所以整个控制系统的功能实现则会由微控制单元的性能决定。

所以在选择所用中央处理器时要考虑其处理能力、设计环境要求等方面，此外还要考虑其技术支持、开发时间等。

本设计选用的的中央处理器为STM32F103RC芯片，该芯片的设计采用ARM公司的32位Cortex-M3内核，是STM32系列中的增强型，芯片内部集成有64KB的SRAM和512KB的Flash，有最高可达72MHz的主频，以及采用I/O端口与其他的外设管脚复用的设计，方便对于外设的调用。

开发板上包含多种外设，包括拥有多个通信接口、模数转换器、数模转换器、多个定时器等，拥有强大的可靠性和抗干扰能力，并且其拥有的高速数据处理能力完全可以满足设计需要[2]。

采用ST公司的STM32系列芯片进行开发设计，其处理性能和可自由添加的外部设施方便了开发设计，还由于其有着成熟的开发环境可为使用人员减少开发周期；

通过丰富的STM32固件库，使用者可调用该固件库的函数实现对STM32系列芯片的片内外设资源的调用，减轻了开发人员的工作量，同时也有利于项目代码的维护；

在ST官网上有着丰富的开发资料，同时网络上有大量关于STM32系列芯片的书籍可以学习，保证了在硬件开发过程中有充足的技术保障。

3.1.2主控电路

最小系统电路是有最少组件组成的单片机可正常运行的系统。

在STM32F103RC芯片的最小系统电路中，电源电路VDD（主电源）、VSS（主电源接地）管脚供电；

时钟电路中接有８MHz的髙速外部晶振，在芯片内部可通过分频与倍频给CPU与各个片内外设提供时钟频率，同时接有32.768KHz的低速外部晶振可用来为实时时钟提供时钟频率；

上电复位电路由1KΩ电阻R3与100nf的电容C2实现，并接有按键SW1实现手动按键复位。

其他电路还包括启动方式电路和JTAG接口。

STM32F103RC的启动方式可在PB2上通过短路块设置BOOT0与BOOT1管脚的电平来改变。

另外，图3.1中为了保证对于中央处理器供电平稳，3.3V与GND之间电容是为了电源在为单片机供电时所接的滤波电容。

本系统在正常工作时使用用户闪存存储器作为启动空间，即代码从片内Flash中启动，图3.1主控电路管脚连接

其他启动方式在试验中有不同的作用。

STM32F103RC开发板使用JTAG/SWD调试接口，此处的接口的电路设计采用JTAG接法；

SWD接口与JTAG接口是共用的，不过可以使用SWD接口减少I/O资源的浪费。

3.2信号采集电路设计

设计中的NTC温度传感器是一种线性化输出的负温度系数热敏电阻，可利用它将温度与电压进行数据转化，是一类电阻值可以随着温度增大而减小的一种传感器电阻。

而这种温度传感器的当其处在可适用温度范围内时温度—电压关系为线性变化，有利于下阶段温控电路的开发设计，将需要将数据再进行转化处理，就可以完成电路的设计，从而简化设计工作。

本设计对于传感器件的选择，主要观察两方面：

一要看热敏元件的输出规范化，二是其温度系数的一致性，这两方面的考虑更有利于电路的实际开发。

就其工作能力来说，测温范围可达到±

200℃，但考虑到一般的电路设计，大部分不需要这样宽的检测范围，根据不同的电路进行设计，而去选择适合电路的测温区段，同时在延长线的选用也可以根据电路的需求配套设计。

而对于本设计电路的热敏传感器件，则选择设定工作温度范围为-50℃~+150℃，完全能够支持对于人体温度和元器件的测温需要。

所采用的产品电阻值与B值（NTC负温度系数热敏电阻的材料常数）精度较高、一致性好；

本设计所用产品是通过聚录乙烯导线两端分别连接排插和热敏电阻，通过排插插入使用和器件更换极其方便。

此传感器可用防水绝缘材料封装成定制形状，全新的制作工艺、可长时间工作而不会影响产品性能，采用良好的密封方法，封装后封闭性和隔绝性大大增强，其还拥有抗压能力强、高可靠性等优点，可根据使用者的安装要求进行封装，方便于使用者安装测控。

其用途广泛，在各类电子器件中都可使用，如汽车空调、电器保险丝、变频器及电热毯等常见电器中都有用到。

图3.2NTC线性温度曲线

本设计中使用的已经封装好的NTC温度传感器，不需要自己在进行设计封装，采样电路只使用了单片机主板PA4（NTC）一个管脚，封装好的元件通过JP接口可随意进行拆卸，对于传感器件的更换维修来说非常的方便。

图3.3温度采样接口设计

3.3直流斩波电路

本设计温度的采集主要依靠NTC温度传感器，而温度的控制则是依靠PWM脉冲信号来进行控制，这就引入了本设计的主要温控电路——直流斩波电路[1]。

直流斩波电路用来改变PWM方波的电路设计，电路中使用的降压式变换器是一种输进电压大于输出电压的单管不隔离直流变换器。

图3.4中，Q为一个三极管，升压电感Lf在输进侧。

当电路连接后通过控制它的开关来间接控制电感里储存的电能，它的驱动需要利用为PWM脉冲信号，驱动时三极管导通时间（X）与断开时间（Y）相加组成信号周期，可以知道PWM信号频率为f=1/（X+Y），其占空比DR=X/Y。

三极管Q也是脉冲宽度调制控制方式，需要保证最大占空比DRB不会超限，且在占空比1:

1的状态停止接通。

图3.4直流斩波电路示意

在此电路中，电容通过充放电电荷的多少，来控制自己的电压升高或降低，这个过程的一连直至达到充放电平衡，此时电容电压可以维持不变[8]；

反过来也是一样的。

这种过渡过程就是对电容电压的调整，在电路稳态工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电也达到平衡，这是电路到达稳态时的识别方式。

即由单片机发出的PWM脉冲通过不断控制MOS管的闭合与打开，控制图3.4中储存在电感（Lf）里的电能而不会打破稳态，进而控制电压来完成对于温度的控制。

3.4液晶接口电路设计

现今的液晶显示领域，各种技术成熟的液晶显示器件层出不穷，不需要再局限以前开发过程中点阵字符、图形模块等显示方式，那些方式的液晶显示不仅需要中央处理器处理许多不必要的细节，而且设计一些复杂的界面会变得很费事，再之后虽可改变使用其他成熟的图形用户接口系统，但也大大增加了开发设计的工作难度和开发时间，也使得中央处理器的负担加重。

根据实际设计需要，液晶显示可以选用串口屏幕，液晶串口屏不仅可以通过串口完成与控制系统的信息交互，通过接收中央控制器发出的信号显示对应的操作界面，还能够使开发周期减少，降低开发难度，被大范围应用在商场、家居、文娱等常见领域。

本设计选用的是北京迪文科技公司生产的型号为DMT80480L070_01WT的串口屏幕，这是一款7寸高分辨率可触摸串口屏，只需12V的工作电压，可连接多种外设，附带HMI指令集，大大减少开发的工作量，稳定的性能使其能够适应不同的工作环境。

屏幕接口电路如图3.5所示，图中的屏幕接口除了需要连接单片机的电源接口，其他的仅仅使用了单片机的PA2（U2_TX）、PA3（U2_RX）这两个管脚，来完成串口屏幕和中央处理器的串口信息交互，并且其只使用处理器内的USART2资源，以保证串口通信的稳定性为前提，尽可能减少中央处理器的CPU资源的浪费。

图3.5串口屏接口原理图

3.5其他电路设计

3.5.1温度报警电路

温度报警电路设计，控制系统在检测到相关温度异常时，将会停止运行并发出声音警报；

本设计釆用液晶屏幕提醒与蜂鸣器报警双重保护设计，蜂鸣器内部自带振荡源，通过拉高电平发出示意声响，而在液晶屏幕上也会同时出现警示图标。

电路的设计较为简单，如图3.6所示与开发板的管脚PA6（BEEP）连接，一端接电源，另一端接三极管，Q1（SS8050）在其中控制电路导通，温度超限时处理器发出信号拉高电平，三极管Q1通过高电平使蜂鸣器发出提示。

图3.6蜂鸣器示警电路

3.5.2电源电路

供电电路包括电源接口和降压电路两部分。

首先，控制系统的电源供电方面主要依靠