（机械电子工程专业论文）智能输液保温器的研究与开发.pdf

智能输液保温器的研究与开发 研究生姓名 指导教师姓名 姜缝 曼丝塾援 姜丝直王 东南大学 摘要 本文针对低室温环境下输液会使病人产生不适感，且严重时会产生体位性低血压使 病人头晕甚至昏厥这一医疗问题，研究与开发了新型的智能输液保温器。在室温较低的 情况下，该医疗器械在工作时可将输入病人体内的药液温度控制在2 0 左右，使患者在 舒适状态下完成输液治疗过程，从而彻底避免了患者在低室温输液时出现的不良反应。 论文探讨了控制系统的选型方法，从智能输液保温器的控制目标为输液的药液出口 温度维持在2 0 左右出发，选用高性能价格比的8 0 3 1 单片机为控制单元构造了一个实用 的单片机应用系统，根据人工实现输液温度控制的经验，采集不同室温及一定输液滴速 下的加热时间数据，运用模糊控制理论，采用基于实验数据的模糊推理算法，通过对一 定室温环境与输液滴速下的加热时间、保温时间、再加热时间与再保温时间的控制，实 现输液出口药液的温度控制。从模拟输液实验结果来看：本文所研究与开发的智能输液 保温器电路设计简单可行。温度控制可靠，输液出口温度波动小，有较广泛的应用前景 与推广价值。 关键词：智能输液保温器单片机控制模糊控制温度控制 r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o n i n t e l l i g e n tc o n s t a n tt e m p e r a t u r ei n f u s e r j i a n gn a n s u p e r v i s e db y p r o f y i h o n g a n ds e n i o r e n g i n e e r j i a n g m i n g at h e s i ss u b m i t t e dt os o u t h e a s t u n i v e r s i t y a b s t r a c t t h e r ei sam e d i c a l p r o b l e m t h a t p a t i e n tm a y f e e lu n c o m f o r t a b l ee v e n m a yg o o f f i n af a i n tb yr e a s o no fl o wb l o o d p r e s s u r ew h e n h ei si n f u s e di nl o w e rr o o m t e m p e r a t u r e an e w t y p eo fi n t e l l i g e n tc o n s t a n tt e m p e r a t u r ei n f u s e ri sd e s i g n e dt os o l v et h i sp r o b l e m t h e t e m p e r a t u r eo fl i q u i dd r u gc a n b e k e p ta ta b o u t2 0 cw h e n t h em e d i c a li n s t r u m e n t i s w o r k i n g ，s op a t i e n t f e e l sw e l lw h e nh ei si n f u s e da n du n c o m f o r t a b l e f e e l i n gi s a v o i d e dw h e n p a t i e n ti si n f u s e d a tl o w e r t e m p e r a t u r e t h es e l e c t i o no fc o n t r o ls y s t e mi sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r i no r d e rt om a i n t a i nt h e o u t p u tt e m p e r a t u r eo fi n f u s e ra ta b o u t2 0 。c ，8 0 3 1 s i g n a lm i c r o p r o c e s s o rw h i c hh a s g o o dp e r f o r m a n c ea n dl o w e rp r i c ea sc o n t r o lu n i ti ss e l e c t e dt ob u i l du pap r a c t i c a l s i g n a lm i c r o p r o c e s s o ra p p l i c a t i o ns y s t e m b ym a n u a lo u t p u tt e m p e r a t u r ec o n t r o lo f i n f u s e r , s o m eh e a t i n gd a t av a r y i n gw i t hr o o mt e m p e r a t u r ea n di n f u s i n gs p e e da r e a c q u i r e d u s i n g t h e s ee x p e r i m e n td a t aa n df u z z yi n f e r e n c e m e t h o d ，o u t p u tt e m p e r a t u r e o fi n f u s e rc a nb ec o n t r o l l e db ya d j u s t i n gh e a t i n ga n dm a i n t a i n i n gt i m e e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o lc i r c u i to ft h en e wi n s t r u m e n ti s s i m p l ei ns 仃u c t u r ea n d r e l i a b l ei nc o n t r o lp e r f o r m a n c e s ot h ef l u i di n f u s i o nw a r l t l e rh a sw i d e l ya p p l i e a t i o n p r o s p e c t a n d p o p u l a r i z a t i o n v a l u e k e y w o r d ：i n t e l l i g e n tc o n s t a n tt e m p e r a t u r ei n f u s e r ；s i g n a lm i c r o p r o c e s s o rc o n t r o l ； f u z z yc o n t r o l ；t e m p e r a t u r ec o n t r o l i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 导师签名：墨季竺 日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 智能仪器研究的历史和现状 智能仪器是一种典型的单片机应用系统，它是计算机技术、现代测量技术与大规模 集成电路相结合的产物。 自从1 9 7 1 年世界上出现了第一种微处理器以来，微计算机技术得到了迅猛的发展，电 子计算机从过去的庞然大物缩小到可以置于测量仪器中，作为仪器的控制器、存储器及运 算器，并使其具有智能的作用。1 9 7 3 年出现了第一台智能仪器一内部装有4 位微处理器 的电容电桥，1 9 7 5 年出现了7 0 多种智能仪器，1 9 7 9 年己增至6 0 0 余种，1 9 8 0 年出现了1 0 0 0 种左右，随后的智能仪器的发展速度更是迅猛【“。 最早出现的智能仪器之一是美国h p 公司的1 7 7 2 a 示波器，它的微处理器部分是用 h p - 3 5 手持计算机改装的，其保留的传统硬件较多。而且没有对外接口功能。早期的智能 仪器都采用4 位微处理器，如美国的d a n a 公司的9 0 0 0 系列计时器计数器；s y s t r o n d o n n e r 公司的7 1 1 5 数字电压表其面板采用了键盘，淘汰了传统的波段开关和调节器，并具有计算 功能、自动校准功能、对外接口功能及自诊断功能。商品化的智能仪器最早出现于1 9 7 3 年，1 9 7 8 年至1 9 8 0 年智能化仪器设计日趋完善，一些常用的智能仪器在一些大公司的主 持下已基本上实现了系列化，如英国d a t r o n 公司的智能数字电压表系列及瑞士m e t t l e r 公司的智能化电子天平系列等，这些智能仪器大都采用了8 位微处理器，少数还采用了1 6 位微处理器。8 0 年代初期，出现了可携式精密数字万用表、可程控校准仪等。进入9 0 年 代后，在高准确度、高性能、多功能的铡量仪器中已经很少有不采用微计算机技术的了【1 1 1 2 1 。 我国电磁测量信息处理仪器学会于1 9 8 4 年正式成立了“自动测试与智能仪器专业 学组”，1 9 8 6 年i m e k o ( i n t e r n a t i o n a lm e a s u r e m e n tc o n f e d e r a t i o n ) 以“智能仪器”为主 题召开了专门的讨论会，i f a c ( i n t e r n a t i o n a l f e d e r a t i o no f a u t o m a t i cc o n l t 0 1 ) 1 9 8 8 年的 理事会正式确定“智能元件及仪器”为其系列学术委员会之一。1 9 8 9 年在我国武汉召开 了第一届测试技术与智能仪器国际学术研讨会。此后，我国有关智能仪器的研究与应用 层出不穷例。 智能仪器作为新一代的电子仪器，从工作原理来看它的发展经历了三个阶段。 1 模拟式仪器。模拟式仪器的基本结构是电磁式和力学式，仪器基于电磁测量原理 和力学转换原理并用指针来显示最终的测量结果。典型的模拟式仪器有指针式电压表、 东南大学硕士学位论文 电流表、功率表和一些通用的测试仪器，这些仪器不管其原理和结构如何都有一个共同 的特征，直接对模拟信号进行测量或控制并最终以指针的运动来显示测量结果【3 l 。 2 数字化仪器。数字化仪器的基本原理是将待测的模拟信号转换成数字信号后进行 测量，并将测量结果以数字形式进行显示与输出。数字化仪器精度高、速度快、显示清 晰直观。典型的数字化仪器如数字电压表、数字频率计、数字式温度显示调节仪等。数 字式仪器与模拟式仪器相比在原理、结构上发生了根本性变化，其基本原理是将模拟信 号转化为数字信号进行测量或控制，尤其数字集成电路被大量采用，a d 转换、d a 转 换和十进制数码显示是数字化仪器最明显的特征标志。数字化仪器给人以直观的感觉、 响应速度和测控精度也比模拟式仪器提高了许多【3 】。 3 智能仪器。智能仪器是指能在计算机的控制下，通过各种测量传感器将被测信号 转换成电压或电流信号，再经a d 转换器转换为数字量送入计算机进行计算与处理。并 根据实际要求进行各种操作的一类仪器。智能仪器无论在测量速度、精确度、自动化程 度还是性能价格比等方面，都是传统仪器所不可比拟的，它具有数据存储、运算和逻辑 判断能力，能根据被测参数的变化自动选择量程，可自动校正、自动补偿。微处理器是 智能仪器的控制中枢，其功能由软、硬件相结合来完成 引。 智能仪器的发展体现在对传统仪器的改进和新型仪器的出现两个方面，比如传统的手 持式万用表，采用单片机控制后，功能更加多样，使用更加方便，可靠性及准确度也大大 提高。目前，已研制出的智能仪器有智能通用计数器、智能多用表、温度程序控制仪、变 频调速控制器、多通道p h 控制器、色谱分析数据处理仪、高频多线示波器、激光测距仪、 红外线气体分析仪、b 超探测仪、智能流量计、数字万用表与智能电度表等。此外，在磁 测量仪器方面，采用微机的精密测磁装置已经可以实现对磁性材料的智能化测量。这种新 型的测磁装置攫4 量准确度高、数据处理能力强、量限宽、自动化程度高、操作简便、可自 动绘图及打印测试结果1 2 j 。 经过十多年来的发展，智能仪器在测量过程自动化、测量结果的数据处理及一机多 用等方面取得了巨大的进展。目前，智能仪器已广泛应用于工业企业、医疗、科研单位 和家用电器中，正向着结构简化、体积减小、成本降低、性能价格比提高的方向发展。 近年来，智能仪器已开始从较为成熟的数据处理向知识处理发展，体现为模糊判断、 故障诊断、容错技术、传感器融合、机件寿命预测等。 第一章绪论 1 2 智能仪器的发展趋势 智能仪器的发展趋势有：虚拟仪器、个人仪器、微型个人仪器与网络化的智能仪器。 1 虚拟仪器 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 是指在通用计算机上由用户设计定义，利用计算机 显示器c r t 的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，用软件在屏幕上生成控制仪器所 需的软面板，来实现仪器功能的仪器【4 l o 虚拟仪器的概念是由美国国家仪器n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 公司1 9 8 6 年首先提出 的。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅用来解决信号的输入与输出，软件才是整个仪器的关 键，用户可通过修改软件的方法，非常方便地改变、增减仪器系统的规模与功能。虚拟 仪器的出现，打破了传统仪器由厂家定义无法改变的模式，用户可以随心所欲地根据自 己的需求设计自己的仪器系统。虚拟仪器技术强调软件的作用，提出了“软件就是仪器” 的概念i 扪。利用软件的功能可在同一台p c 机上虚拟出数十台仪器，如数字电压表、电 子计数器、数字存储示波器、信号发生器、频谱仪等。虚拟仪器与传统仪器的比较如表 1 1 所示 5 j 。 表1 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 传统仪器虚拟仪器 仪器厂商定义用户自己定义 硬件是关键软件是关键 价格昂贵价格低，可重复使用 技术更新慢技术更新快 封闭系统开放系统，可方便地同外设、网络等连接 规模、功能固定规模、功能可任意修改、增减 开发维护费用高开发维护费用低 功能单一，操作不便智能化、多功能、远距离传输 虚拟仪器是由计算机、应用软件和仪器硬件三大要素组成的。图1 1 为虚拟仪器的 一种模式f i l 。 东南大学硕士学位论文 图1 1 虚拟仪器 虚拟仪器是建立在标准化、系列化、模块化、积木化的硬件与软件平台上的一个完 全开放的系统。虚拟仪器有以下一些性能特点【6 j f 7 】【8 j 。 ( 1 ) 虚拟仪器的软、硬件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。用 户可根据自己的需要灵活组建仪器，仪器扩充和升级也十分简单，配置新的测试功能模 板甚至无需改变硬件，只需应用模块化的软件包重新搭配。便可构成新的虚拟仪器大 大提高了仪器的使用效率，克服了传统仪器的缺点。 ( 2 ) 虚拟仪器一般在w i n d o w s 环境下运行，可以同时运行多个应用，可利用一台 计算机来同时构建出多个不同用途的虚拟仪器。 ( 3 ) 虚拟仪器的测量准确度高、可重复性好。 ( 4 ) 虚拟仪器测量速度高。虚拟仪器在测量输入信号的多个特性( 如电压、频率、 上升时间等) 只需一个量化的数据模块，这种将多种测试集于一体的方法缩短了测试时 间。提高了测试速度。 ( 5 ) 虚拟仪器的智能化程度高。虚拟仪器是基于计算机的仪器，其软件有强大的分 析、计算、逻辑判断功能，可在计算机上建立一个普通的智能仪器到构建一个专家系统。 ( 6 ) 虚拟仪器工作界面十分友好、使用简便。在虚拟面板上可显示仪器的所有功能， 人机界面非常友好。仪器的功能选择、参数设置、数据处理与结果显示等只需用鼠标点击 即可完成操作。此外，虚拟仪器在使用中，用户可随时获得计算机给予的帮助提示信息。 可以预见，在不久的将来虚拟仪器将在电子测量、电气工程、机电一体化、教育和 更广泛的领域中广泛普及。 z a - 人仪器 个人仪器( p c 仪器) 是智能仪器的一个发展方向。个人仪器将原智能仪器中测量 部分的电路以附加插件或模件的形式插入到p c 机的总线插槽或扩展机箱中，将原智能 4 笙二垦堕鲨 仪器中所需的控制、存储、显示和操作等功能由p c 机来完成。个人仪器区别于智能仪 器的一个显著特点是个人仪器采用软面板来实现对仪器的操作，软面板是显示在c r t 上 由高分辨率作图生成的仪器面板图形，用户通过操纵键盘、移动鼠标、光标或触模屏方式 来选择软面板上的“软按键”【4 1 。 个人仪器是将个人计算机与电子仪器相结合的产物。在个人仪器系统中，每个测试 功能不是由整机，而是用插件来完成，每个插件并不需要通常智能仪器所需的微处理器、 显示装置、键盘等部件，因此，个人仪器的成本大大降低。在个人仪器中，将其标准的 仪器功能写入了操作软件中，并有一个简单的清单供用户进行使用选择，无须重新编制 程序即可完成各项任务，个人仪器的操作也非常方便。个人仪器中的插件卡与计算机之 间的关系远不如智能仪器中微处理器与测量部件间的关系密切，插件卡制造厂可以集中 精力研制与生产产品，使得插件卡的生产周期大大缩短。个人仪器还有着可实现交互作 用的优势，由于个人仪器是通过微机的系统总线相连的，因此相互间可进行实时的交互 作用。 由于个人仪器充分利用了p c 机的软件与硬件资源，因而相对于传统的智能仪器来说， 极大地降低了成本并可大幅度缩短研制周期，方便了使用，提高了可靠性，因此有着广 阔的发展前景。 3 微型智能仪器 微型智能仪器是将微电子技术、微机械技术与信息技术等综合应用于仪器的生产 中，从而使仪器成为体积小、功能齐全的智能仪器。微型智能仪器可把不同的微型机械 电子系统( m e m s ) 组装在一起，既有固定部件，又有活动部件，既可以是专用仪器又 可以是通用仪器；可以是分系统的组合也可是通用仪器。微型智能仪器可实现模块化的 组合，根据不同的用途完成不同的使用要求9 1 。 微型智能仪器能够完成信号的采集、线性化处理、数字信号处理、控制信号的输出、 放大、与其它仪器的接口、与人的交互等功能。微型智能仪器有更好的性能价格比，同 时在生产与生活中应用更加方便，微型智能仪器将在2 1 世纪仪器发展中占有重要的地 位1 9 1 。 4 网络化的智能仪器 在计算机网络技术迅速发展与普及的今天，网络化的智能仪器将有更强大的功能与 活力，是智能仪器发展的一个重要方向。 总之，未来的智能仪器将不再是功能单一和固定不变的结构，而是将越来越体现出 柔性化和智能化。未来的智能仪器将有更强的适应性与更丰富的功能。 5 东南大学硕士学位论文 1 3 智能输液保温器的研究现状 随着科学技术的不断发展，特别是自动控制技术与计算机应用的普及与发展大大 提高了智能仪器的设计水平与应用范围。目前在医疗领域已出现了一些实用的医用智能 设备与仪器，这些医用智能设备与仪器的使用提高了对疾病的诊断和治疗水平，也大大 促进了医疗事业的进步。 7 0 年代初出现的计算机断层摄影( c t ) ；8 0 年代初出现的磁共振成像装置( m r - c t ) 以及可根据监护患者心脏情况而自动起搏的起搏器等均是医用智能仪器在医疗领域成 功应用的范例i i 。在医疗领域有许多诊断方法、治疗措施由于电脑控制的加入形成了更 实用更有效的智能仪器装置，如各种病人自动监护系统、自动诊疗系统以及人工器官等 均是智能控制技术在医学领域成功应用的范例。 在许多智能化的医疗仪器中，均采用了单片机控制系统，由于单片机的加入提高了 控制系统的控制水平，如微处理器控制的人工胰脏、人工肾、人工眼、人工耳等，在这 些人工器官中均体现了单片机控制的优势。在临床检验仪器的自动化方面，如分光光度 计、电泳仪、电解质分析仪等由于微电脑的引入，使所设计的仪器结构简单、使用更方 便。 此外，在生理监护系统中，利用计算机控制技术可实现在自动生化分析仪内采集、 处理、存储数据与控制仪器的工作，使自动生化分析仪的分析速度有了很大提高【l ”。 其它，如计算机的辅助诊断、辅助放疗计划系统、脉搏信号的计算机分析等均是计 算机控制技术在医疗领域成功应用的实例【l l 】。 对输血时低温情况下产生的不良反映，国外已研制出了输血加热器与输血温度监护 器来成功解决此问题1 2 1 1 1 3 】。对低温时输液会对病人产生不适且严重时会产生体位性低血 压这一医疗问题，国内1 9 9 9 年出现的医用一次性输液自热保温袋【1 4 1 ，采用化学反应产 生热量对输液进行保温来减缓在战争期间严冬环境下伤员的输液反应，由于该产品是一 次性使用的，并且温度不可控制，所以不适用于和平时期病房里输液保温的实际需要。 2 0 0 2 年出现的保温型静脉输液支架5 1 ，采用温控开关进行输液的自动控制( 3 9 c 通， 4 6 断) 。但由于输液是典型的大惯性的系统，当传感器检测到温度达到4 6 而断开加 热时，温度实际上会继续上升：该系统的目标温度范围( 3 9 。c - 4 6 c ) 偏高存在一定的 不合理性，输液的药液稳定性和温度有关，温度愈高，药液的化学稳定性愈差，该系统 设定的偏高的温度容易使药液在输入人体内之前就产生分解，从而影响实际疗效：此外， 一苎二童堕丝 该系统未考虑输液的滴速不同带来的影响。 智能输液保温器的研究与开发可实现在输液室温环境温度较低( 0 i o 。c ) 情况下， 将输液出口药液温度保持在人体感觉舒适的温度2 0 。c 左右，避免低温输液对病人产生的 不适反应。 1 4 医用智能仪器设计时应考虑的相关因素 由于医用仪器临床使用的特殊性，在设计医用仪器时要考虑到一些相关因素。影响 医用电子仪器设计的基本因素有：信号因素、环境因素、医用因素、可靠性因素和经济 性因素。 1 信号因素。设计时要考虑传感器( 或医用传感器) 所获取的信号情况，信号应准 确无误【1 6 】。 2 环境因素。设计时应考虑所设计的仪器使用时的特定环境所提出的技术要求m 】。 3 医学因素。设计时考虑仪器与人体间的作用方式。考虑仪器具有一定的散热性能 以及仪器的绝缘性能，保证仪器无论是在正常使用时，还是在出现故障的情况下，均具 有良好的绝缘性能，确保人身安全m 】。 4 可靠性因素。医疗护理、监测仪器等其失效可能导致生命悠关。因此，在医用智 能仪器的设计过程中，对可靠性的考虑应贯穿于每一设计环节，要采取各种措施提高仪 器的可靠性，确保仪器能长时间地稳定工作。 5 经济性因素。设计时要考虑仪器的价格、使用寿命和兼容性。 设计时应根据上述五个基本因素进行仪器初步设计和安装调试，再对仪器设计进行 反复修正和调试，做出样机，并应进行一定时间的临床观察和运用，在性能指标均能达 到设计要求的前提下，请有关部门进行鉴定，然后做小批量生产，直至批量生产。 1 5 本文的主要研究工作和各章内容安排 单片机在医疗领域的运用，使医疗器械智能化得到了大幅度的提高，极大地提升了 医疗器械的功能，并催生了许多新型的医疗器械。本文针对低温时输液会对病人产生不 适且严重时会产生体位性低血压这一医疗问题，研究并开发了单片机控制的智能输液保 温器来解决上述医疗问题。设计中成功运用模糊控制理论及单片机控制技术，创新设计 了智能输液保温器这一新型的医疗器械。 查堕查兰堡主兰竺丝苎 论文根据智能输液保温器的控制目标为输液的出口药液温度维持在2 06 c 左右出发， 选用高性价比的8 0 3 1 单片机为控制单元，采用基于实验数据的模糊控制算法，通过对 一定室温环境下加热元件的加热时间、保温时间、再加热时间及再保温时间的控制，实 现输液出1 2 1 药液的温度控制。在研究与开发过程中，运用最小二乘法对测温控制放大器 进行了公式校验，减少了系统误差：分析研究了智能输液保温器系统的硬件与软件可靠 性设计；对输液的滴速控制、自动报警控制的实现作了理论研究。经多次模拟输液实验， 结果表明：本设计的智能输液保温器电路设计简单可行，温度控制可靠，输液出1 2 1 温度 波动小，有实用性与推广应用价值。 全文共分五章，各章的主要研究工作如下： 第一章综述了智能仪器研究的历史与现状，介绍了智能仪器未来的发展方向；对智 能输液保温器的研究现状作了剖析，讨论了设计医用智能仪器时应考虑的相关因素。 第二章对智能输液保温器的开发作了需求分析，对系统的总体方案进行了论证，介 绍了系统的总体结构方案、工作原理与工作流程，对智能输液保温器的设计思想作了讨 论，提出了智能仪器设计应采用自顶向下设计、软硬件折衷设计、性价比高的设计与高 可靠性设计的思想。 第三章对系统的温度数据采集的实现以及温度的数码显示的实现作了详细论述，介 绍了测温电路的工作原理并给出了测温电路硬件布置图。 第四章通过对各种控制系统的不同控制方式特点与应用的研究，针对智能输液保温 器的控制目标及控制特点，研究确定了智能输液保温器的控制方式采用模糊控制实现。 第五章针对智能输液保温器系统的工作要求，通过采集不同室温、不同滴速下的输 液出1 5 1 药液温度的数据，建立了模糊推理规则表，给出了针对实际系统的基于实验数据 的模糊控制算法；进行了基于模糊控制的软件编程，实现了智能输液保温器系统的模糊 控制，从模拟输液实验结果来看，达n t 设计要求。研究了系统的软件可靠性设计问题 第六章详细论述了智能输液保温器系统中单片机的工作原理，给出了单片机应用系 统硬件电路布置，对系统中的译码电路、a d 转换电路、温度显示电路与驱动电路的设 计分别作了详细讨论。同时还分析研究了系统的硬件可靠性设计。 第二章系统总体吱计 第二章系统总体设计 2 1 智能输液保温器开发的需求 在医疗部门临床上医生常需给患者输液来治疗各种疾病。由于输液治疗方式具有 治疗手段简单、效果好的特点，故长期以来一直是临床上最常使用并受到病患者广泛欢 迎的治疗手段之一。 但在输液时由于药液的温度与人体的温度( 3 5 3 7 。c ) 总是存在一个温度差，而 药液的温度一般与室温一致，这样在寒冷的冬天药液的温度将与人体的温度有几十度的 温差，此时当医生给病人进行输液时，由于药液的温度低，输入体内的药液与血液混合 后将使病人产生不适感，严重时会产生体位性低血压使病人头晕甚至出现昏厥等现象。 由于目前的输液保温器存在较严重缺陷，开发一个能使输入病患者体内的药液温度保持 在舒适温度的智能仪器有临床的实际需求。 智能输液保温器的研究与开发，将从根本上解决病人输液时的不适感，该仪器可将 输入病患者体内的药液温度控制在2 0 左右( 人体感觉舒适的温度。也是特护病房的温 度) ，使患者在无不适感的情况下完成输液治疗过程。因此本课题的研究具有较好的临 床医学应用价值与较广泛的应用前景。 2 2 系统总体方案论证 智能输液保温器的控制目标为：在不同的滴速( 快、中、慢) 与一定室温( o 。c i o ) 条件下将输液出1 ：3 药液温度控制在2 0 ( 2 左右。其主要技术指标为： 1 温控达到设定工作温度时间 7 分钟。 2 最高工作温度误差 3 。 2 2 1 温度的检测与滴速的控制 实现智能输液保温器的控制目标，温度的检测与输液的滴速控制是两个关键环节。 温度的检测可用温度传感器实现，而滴速控制可有两种选择，方案一为：人工控制滴速， 输液时由护士调节好滴速的快、中、慢，并在输液保温器上按下相应的滴速按钮；方案 二为：自动控制滴速，设计一自动控制滴速装置，其装置如图2 1 、2 2 所示。将小直流 电机连接在蜗杆上，通过蜗轮蜗杆减速器来驱动偏心轮旋转，以调节滴速。光码盘、发 光二极管、光敏电阻用来计算偏心轮转过的角度。用一对霍尔传感器确定偏心轮的起始 9 东南大学硕二l 论文 位置，在起始位置时，滴速为最大。 感器 + 、 ，一一j 一0 偏心轮 一，卜f |、；三，一i 输液管 l 一脚抽一 i 定位 图2 - l 滴速调节装置图2 - 2 偏心轮调节器 i厂一一 h 单片机l jii 图2 3 滴速测定电路 在图2 3 中多谐振荡器输出电压e l 、e 2 通过r l 、r 2 ( r 1 = r 2 ) 交替对电容器c l 、c 2 充放电，从而使驰张振荡器的输出交替触发双稳态电路【m 。c l 如图2 - 4 所示；c 2 为可调 电容，将其调整为输液无滴速时的c 1 的值；输液无滴速时，c l = c 2 ，1 1 0 = 0 ；输液有滴速 时，电容两极之间的介质的介电常数发生变化，从而c l c 2 ，则双稳态电路q 端输出的 脉冲经过对称脉冲检测电路变成电压输出，经过a d 转 换，变成数字信号输入单片机。 u o = 疋( c l c ：) “c 1 + q ) ，只要电压波动一次，即 可记录下来。即图2 - 4 在静止时，有个高度差也= 稀爹响测 量滴速。其中，e c 为电源电压。 考虑到设计一个产品时，不应盲目追求高的技术含 c 1 量，而是要着重使产品有高的性价比，图2 - 4 电容的变化 因此在本设计中，选择了经济有效的人工控制滴速的方式。在输液开始时由护士来调节 1 0 e l 星三! 墨竺璺竺堡盐 输液的滴速并按下智能输液保温器面板上代表输液速度( 快、中、慢) 三个按扭中的一 个。即使有误操作，由于控制系统的程序只认最新的设定，因此如按错代表滴速的键， 只要再按一下正确的键即可。 2 2 2 加热位置与加热方式 要实现在室温较低的环境下将输液出口药液温度控制在2 0 c 左右，就必须对药液进 行加热。因此，加热位置与加热方式的选择是保证智能输液保温器正常工作的关键环节之一。 智能输液保温器的设计应保证药液在输入患者体内时已被加热至2 0 左右。由于盐 水瓶体积较大，而且在输液过程中盐水瓶内的药液将越来越少，给盐水瓶进行恒温加热 很不容易实现。考虑到输液管中的药液量远比盐水瓶中的少且在整个输液过程中输液管 内药液的体积是维持不变的，对输液管中药液加热以及温度控制较易实现，因此。系统 选择输液管下部的一段为加热位置。 在加热方式的选择上，设计过程中做了几种方案的比较： 1 选择电热毯加热方式来加热输液管。由于电热毯电路的单位平方能承受的最大 功率远小于设计要求，赦不能采用。 2 采用定制的薄膜加热电路加热输液管，同样由于单位平方能承受的最大功率问 题，定制的样品没过关。 3 委托厂家定制了内部为电阻丝外面是铝的加热元件加热输液管。在使用时发现， 由于铝的加工面不能和输液管很好的贴合，热效益低，影响了 输液出口药液温度的上升。 4 。采用加热元件对一定体积的水进行加热，并将一定长 度的输液管埋在水里实现热的传递。这是本设计最终采用的加 热方式。选用输液管下部的一定长度的输液管为加热的位置， 实现输液管内液体的加热，设计时皋4 作了一特制的加热装置， 如图2 5 所示，盖子中的孔槽用来限定被加热的输液导管的长 度，使每次被加热的输液管为定长。 2 2 3 控制单元的确定 图2 - 5 加热装置 控制单元是控制系统的核心，正确定位控制单元可使系统在实现预定功能的同时还 具备高可靠性与高性价比的特性。常用控制单元有微机控制、d s p 控制器与单片机控制。 1 微机控制 微机控制系统有处理速度高、存储容量大、人机接口功能强的特点，但产品成本高。 2 d s p 控制器 t j 查童奎兰堡主堡兰 d s p 控制器的突出特点是采用多组总线技术实现了并行机制，有独立的加法器和乘 法器，有灵活的寻址方式，可以非常快速的处理复杂算法，广泛使用于音频、视频、多 媒体、家电、手机、网络等领域，但目前成本较高。 3 单片机控制 单片机控制有以下几个特点【i 8 】： ( 1 ) 体积小、重量轻、功耗低、功能强、性价比高。 ( 2 ) 数据大都在单片机内部传送、运行速度快、抗干扰能力强。可靠性高。 ( 3 ) 结构灵活，易于组成各种单片机应用系统。 ( 4 ) 应用广泛。可用于测量仪器、医疗仪器及家用电器、工业自动控制等领域。 综合考虑后，本设计的控制单元选定了单片机作为控制单元。 2 2 4 驱动电路 单片机输出的是i ) v 5 v 的低压信号，不足以驱动加热元件。加热元件的控制可以 有两种方式：通过控制电流的大小控制加热元件的功率与通过控制电压来控制加热元件 的功率。由于电流控制方法电路比较复杂，因此本设计采用通过调整输出电压的脉宽来 控制加热元件的平均功率，即，针对设计的要求，当需要加热时，就让通过加热元件的 电压导通，反之，则不导通。系统实现时采用通过单片机8 0 3 1 的p 1 0 口来控制固态继 电器。 2 2 5 控制方式的选择 针对特定的控制对象，选择合适的控制方式，可以提高控制糖度和降低成本，提高系 统的可靠性。在对系统作综合分析，考虑系统的输入与输出、控制的目标、实现控制的 难易程度等因数的基础上来决定控制方式。 由于智能输液保温器实际使用时，为保证输液不受污染，不能实测输液出口处的药 液温度，只能用实验的方法取得经验值实现药液的加热与保温控制。针对系统的特点本 文采用了基于模糊推理的模糊控制器，利用实验阶段取得的温控经验值建立专家数据 库，工作时采用基于实验数据的模糊控制，对给定输入量作模糊推理推算出不同室温与 不同滴速条件下加热元件的加热时间、停止加热时间、再加热时间与再次停止加热时 间，实现输液出1 3 药液温度的实时控制。 2 3 智能输液保温器的设计思想 1 自顶向下设计 考虑整体目标，按仪器的功能将硬件与软件分成若干个模块，每个模块完成一个任 1 2 堡三里墨竺：望堡堡生 一 一一 务，并考虑各模块之间的关系。对各个模块采用自顶向下的顺序进行设计与调试。最后 将各模块连接起来进行总调。 2 软硬件折衷设计 从仪器的功能、成本、研制周期和费用等多方面综合考虑软硬件的配置。 在智能输液保温器中某些功能必须用硬件来实现，而有些功能利用软件或硬件都可 完成。在硬件设计方面，选用合适的单片机和其它大规模集成电路制成功能模板，以满 足仪器的特定需求。软件可完成复杂的运算，修改方便，缺点是执行速度比硬件慢：硬 件执行速度快，但成本高且组装后改动困难。在设计时应考虑到软硬件的各自优势，合 理选用软硬件，在开发过程中，将硬件设计与软件设计同时进行来缩短研制周期。同时 要确保设计的仪器在规定的工作环境里能正常工作。 3 高性价比的设计 在设计时不应盲目地追求复杂高级的方案，在满足性能指标的前提下应尽可能采用 简单的方案，从而获得较高的性能价格比。 4 高可靠性设计 一个单片机控制系统质量的高低主要表现在它的技术性能、可靠性、适应性和经济 性四个方面，其中技术性能和可靠性是最主要的方面“”。 引起系统故障的原因一般来自两大方面：一是系统运行的外界环境条件通过系统内 部反映出来的故障；二是系统内部自身产生的故障。外界环境条件引起的故障因素主要 有：工作电源的异常、环境温度的异常、电磁干扰、机械的冲击和震动等。系统内部引 起的故障因素有：元器件的失效、焊接点的虚焊脱落、接插件的导电接触面氧化或腐蚀、 线路连接线的开路或短路等o 。 避错技术、容错技术、自诊断技术是提高单片机控制系统可靠性的三大技术o 。 不论外界环境原因还是系统内部原因引起的故障，均可用避错技术和容错技术来解 决。避错技术就是通过采用高可靠性的元气件、选定行之有效的信号通道和系统设计电 路、采取完善的加工工艺、合理抗干扰方法和接地技术等谨慎措施来减少系统失效的可 能。容错技术就是通过冗余设计来保证系统出故障时仍能提供所需的正常信息。 仪器的可靠性设计要考虑到仪器的固有可靠性、使用可靠性和环境适应性。仪器设 计决定了该仪器的固有可靠性，因此设计阶段应充分考虑可靠性问题。在电路设计方案、 元器件选定、安全系数、工艺性、维修性等方面予以尽可能全面的考虑可靠性问题，并 尽可能采用成熟的设计和行之有效的可靠性分析与试验技术，提高产品的固有可靠性。 东南大学硕士论文 2 4 系统的总体结构与工作原理 智能输液保温器系统的总体结构如图2 - 6 所示。 温度显示i 叫同态继电器厂_ 一i 加热元件 l 一i 一 i 图2 - 6 系统的功能模块 数据采集模块实现温度信号的采集并将信号输入单片机，单片机采用模糊控制技术 控制固态继电器的开、闭时间，从而控制加热元件的工作时间实现输液出口药液温度的 保温控制。温度显示模块显示室温、输液出口的药液温度。 智能输液保温器系统的功能流程如图2 7 所示。 智能输液保温器的工作原理如下： 1 在系统实验阶段，温度传感器放在输液管的出口处检测药液的出口温度并由数码 管显示检测的药液温度；传感器及放大电路的输出信号是电压模拟量，通过模数转换器 将其转换成数字信号以便单片机接受和处理；单片机控制固态继电器的开通与闭合时间 来实现加热元件的工作时闻控制：在该阶段，采集不同室温与不同滴速下输液出口药液 的温度与加热时间关系的数据，来形成模糊控制的规则库。 2 在系统工作阶段，加热元件开始工作前，传感器测量室温并由数码管显示室温； 开始加热后，系统根据室温与不同的滴速条件，采用模糊控制技术控制加热元件的工作 时间，实现输液出口药液温度的控制。系统工作过程中，数码管显示输液出口药液的理 论温度。 j 4 第二章系统总体设计 图2 7 系统的功能流程 、 、矗 2 5 系统的工作流程 智能输液保温器的工作流程为： 1 悬挂盐水瓶。 2 给容器加水并将输液管置于加热装置中。 3 将输液管与盐水瓶连接。 4 调整滴速并按下仪器上相应的滴速键，按下开始键。智能输液保温器开始加热药 液并实现输液的温度控制。 5 给病人输液至输液结束，按下结束键。智能输液保温器停止工作。 东南大学硕士论文 2 6 系统可靠性分析 可靠性是仪器在规定的条件下和规定的时间里完成规定功能的能力。可靠性指标除 了可用完成功能的概率表示外，还可用平均无故障时间、故障率、失效率或平均寿命等 来表示。 软件的可靠性设计在系统可靠性设计中有着重要位置，通过系统的软件可靠性设计 可晟大限度地降低干扰对系统工作的影响，确保系统能正常工作。提高软件可靠性的拮 施有：开机自检技术、数据的合理存放、输出反馈、表决和周期刷新技术、存储器使用 技巧、实时诊断技术、数字滤波技术、故障自诊断技术与软件陷阱、软件铡试技术等。 智能仪器的可靠性设计是非常重要的，软、硬件都必须采取一定的措施。为增强系 统的可靠性和抗干扰能力，在硬件设计上，充分考虑元器件的合理布局及合理布线，减 少系统内部的干扰：采用光电隔离等措施防止外部干扰1 。此外合理选择元器件、可靠 的电路设计与抗干扰设计、按地技术也是提高硬件设计可靠性的有力措施。 2 7 本章小结 本章分析了智能输液保温器的开发需求，对系统的总体方案进行了论证，介绍了系 统的总体结构与系统的工作原理。对智能输液保温器的设计思想作了讨论，提出了智能 仪器设计应采用自顶向下设计、软硬件折衷设计、高性价比的设计与高可靠性设计的设 计思想。 1 6 第三章温度采集与显示系统设计 第三章温度采集与显示系统设计 3 1 温度采集与显示系统工作原理 温度采集是温度控制的重要环节。在智能输液保温器的实验阶段，温度传感器安装 在输液管的出口，检测药液的出口温度；在智能输液保温器模拟输液运行阶段，温度传 感器用来测量工作环境温度室温。现以系统实验阶段为例说明温度数据采集系统的工作 原理：药液的温度采集是由传感器一经a d 转换一单片机一数码显示来实现的；传感器 a d 5 9 0 测量输液管出口药液的温度，将测得的模拟电压信号进行模数转换，转变成数字 信号送8 2 5 5 的a 口，再经单片机利用查表法将药液的温度送至数码管显示。 系统的温度采集与显示电路硬件框图如图3 - 1 所示。电路工作原理为：由传感器 a d 5 9 0 测量温度信号并经测温放大电路将随温度变化的电流信号转变为变化的电压信 号，再经a d c 0 8 0 9 将变化的电压信号转换为变化的数字信号。由于本设计采用的8 0 3 1 的时钟为6 m ，而单片机a l e 的输出时钟为1 6c p u 时钟，a d c 0 8 0 9 工作时要求时钟 6 4 0 k ，设计时采用了二分频电路来满足a d c 0 8 0 9 的c l k 对时钟信号的要求。8 0 3 1 将 采集到的温度信号通过并行扩展电路8 2 5 5 经驱动放大7 4 l s 2 4 4 输出至数码管显示所测 量的温度数据。 图3 1 温度采集与显示电路硬件框图 东南大学硕士学位论文 3 2 温度传感器a d 5 9 0 3 2 1 传感器的作用 传感器是实现自动检测和控制的首要环节。如果没有传感器对原始参数进行精确可 靠的测量，那么，无论是信号转换或信息处理，或者最佳数据的显示和控制都将无法实 现。 传感器实质上是一种功能块，它能将来自外界的各种信号转换成电信号。传感器一 股由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组成。敏感元件能直接感受被测量，并 以确定关系输出物理量；转换元件能将敏感元件输出的非电物理量( 如位移、应变、光 强等) 转换成电路参数( 如电阻、电感等) ：基本转换电路可将电路参数转换成为便于 测量的电量如电压、电流与频率掣2 “。 3 2 2 传感器的选用 传感器的种类很多，厨一个传感器可测多种物理量，而同一物理量又可采用多种不 同类型的传感器来检测。表3 1 反映了传感器的分类与特性m 】。 表3 1 传感器的分类及