醫(yī)用輸液加熱系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1、文獻出處網(wǎng)址： 文獻出處翻譯示例: 醫(yī)用輸液加熱系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)楊曉玲 北京大學(xué)自動化學(xué)院王克明 北京大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院摘要：論文主要介紹醫(yī)用輸液加熱系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)以及軟件和硬件的實現(xiàn)方法。系統(tǒng)以AT89C52 單片機為基礎(chǔ)采取整體-部分PID 增量算法和脈沖寬度調(diào)制 （PWM） 相結(jié)合。系統(tǒng)的運行程序由結(jié)構(gòu)化模型組成。運行結(jié)果表明這個系統(tǒng)簡單、可靠, 易于操作并且有高度控制準(zhǔn)確性和短控制時間, 符合病人和醫(yī)院兩方的要求。關(guān)鍵詞：注入；整體-部分PID增量算法；脈沖寬度調(diào)制1引言當(dāng)一位病人正在接受醫(yī)生輸液/輸血治療時, 過低溫度的液體對他有許多傷害: 1）因為注入到人體的大量的冰冷液體,可

2、能讓病人身體更脆弱; 2）身體和液體之間溫差很大, 在輸液期間，它能引起病人身體的體溫下降, 這對病人很危險。特別是快速輸入大量冷血液時（標(biāo)準(zhǔn)溫度為 4 °C.）（包含紅血球、或新鮮的冷凍血漿），這樣的低溫血液對于病人自身體溫來說可能是危險的,會引起體溫下降、心律不齊、和血液凝固。低溫血液和所含有的紅血球會比溫?zé)岬难焊こ? 而且達不到相同的流動速率,這樣會減少配給藥物的吸收效率。避免注入這樣的液體給病人, 可以避免身體溫度下降的危險而且也減少由于身體和液體之間的強烈溫差所引起的病人的痛苦, 因此, 液體被加溫到與人體相同的溫度是很有必要的,這樣的溫度一般是37 °C。擁

3、有一套有效率的裝置在為患者注射溫?zé)嵫夯蚱渌乃幬锏钠陂g對于保持體溫來說是很必要的。在北京一所醫(yī)院的支持下, 已經(jīng)開發(fā)了這一醫(yī)用輸液/輸血加熱控制器。2系統(tǒng)設(shè)計考慮到系統(tǒng)對控制精度、調(diào)制時間和超越量的較高的需求，采用適當(dāng)?shù)目刂扑惴ㄊ潜匾?。此? 系統(tǒng)需要顯示數(shù)據(jù)，比如說控制菜單,實時溫度和設(shè)定溫度等等。此系統(tǒng)基于AT89C52 的單片機而且采用整體-部分PID增量算法和脈沖寬度調(diào)制 （PWM）。系統(tǒng)有更快速的響應(yīng)速度和較高的控制精度。 它包括溫度采集、A/D 轉(zhuǎn)換、AT89C52電源和顯示電路。此系統(tǒng)在25 °C 至 41 °C期間可由手控設(shè)定溫度，而且溫差可以精確到0.

4、1°C。它能將血液等低溫液體加溫到預(yù)定溫度并使液體的流動速度自動達到預(yù)設(shè)值。這套裝置的一個特征是被注入的血液的溫度保持在能夠獨立地流動的溫度，并根據(jù)患者的需要使速度從每分鐘0到150毫升變化。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所表示, 系統(tǒng)主要地包含四個部份: 信號采集與轉(zhuǎn)換電路,運算控制電路, 數(shù)據(jù)顯示電路和故障警報器。3、信號采集與轉(zhuǎn)換電路信號采集與轉(zhuǎn)換電路將溫度信號轉(zhuǎn)換成二進位形式的模擬信號對任何的溫度控制系統(tǒng)都是必要的。在這里使用DS18B20來完成對溫度的監(jiān)測和轉(zhuǎn)換。DS18B20是達拉斯公司生產(chǎn)的溫度計。DS18B20在一輛單一電線的公共汽車上只需要一條數(shù)據(jù)線

5、 （和地面）就可以實現(xiàn)與單片機的溝通。它的可操作溫度在-55°C到+125°C之間變化，而且在溫度變化在 +85°C到-10°C范圍的時候，也可以精確到0.5°C。除此之外，DS18 B20可以直接從數(shù)據(jù)線得到電力，不需要另外提供電源。而且, DS18 B20整合了許多功能組件，如溫度傳感器, 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器, 記憶芯片和計算機接口。它能直接輸出模擬溫度信號與單片機溝通。因此，由DS18 B20芯片組成的系統(tǒng)在穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性方面有明顯優(yōu)勢。因此本系統(tǒng)為確保準(zhǔn)確度, 選擇DS18 B20的12位A/D轉(zhuǎn)換器。4、控制算法在這里研究的輸液加熱系統(tǒng)有延遲

6、、實時和非線性的特性。在實際生產(chǎn)中構(gòu)造精確的數(shù)學(xué)模型是不可能的。因此, 使用傳統(tǒng)的線性控制理論以達到滿意的控制效果是非常困難的。相比之下，時常被應(yīng)用于工程學(xué)的PID控制器理論已經(jīng)十分成熟，在控制理論和計算機的發(fā)展中PID控制的應(yīng)用越來越廣泛，這是眾所周知的。由于系統(tǒng)的控制精度不大于0.1°C而且在考慮誤差對控制系統(tǒng)的影響時, 采用PID增量算術(shù)控制算法，即：控制器輸出的是控制的增量u（k）。它的計算公式是:u（k）=KPe（k）+KIe（k）+KDe（k）-e（k-1） （1）這里KP、KI 和 KD分別是比例，積分的和微分系數(shù)。e（k）是基本偏差, 即實際數(shù)值和預(yù)定數(shù)值之間的不同,

7、 e（k）的公式如下:e（k）=e（k）- e（k-1） （2）PID 控制算法的主要目的是除去誤差和改良系統(tǒng)的控制精度。但是也可能引起一些問題：在短時間內(nèi)系統(tǒng)會顯現(xiàn)出比較大的誤差；在PID積分作用下, 可能增加超調(diào)量或擾動而增加調(diào)節(jié)時間。因此在這種情況下, 引入了整體-部分PID運算概念?；诠剑?）, 可以得到整體-部分PID 的控制算法：u（k）=KPe（k）+ KIe（k）+KDe（k）-e（k-1） （3）當(dāng) |e（k）|<|e0| 時， =1；當(dāng) |e（k）|>|e0| 時， =0。 （4）當(dāng)|e（k）|<|e0|,即 = 1時：u（k）=KPe（k）+KIe（

8、k）+KDe（k）-e（k-1） （5）此時采用PID 控制算法。當(dāng)|e（k）|>|e0|,即 = 0時,u（k）=KPe（k）+KDe（k）-e（k-1） （6）采用PID 控制算法。考慮到注入加熱系統(tǒng)的膠棒的超越量會給正在接受輸液治療病人帶來危害, 采取基于公式（5） 和（6）的整體-部分PID 增量算法。系統(tǒng)的算法流程圖如圖2所示。控制算法的輸出通?？刂齐姛峋€的加熱時間。為了保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，選擇常被用于跳動寬度調(diào)音 （PWM）的單一周期控制方法。 PWM控制的基本原則正是在一確定的周期內(nèi)調(diào)整任務(wù)比率, 那也就是說,一控制周期由“ON” 和“OFF ”組成.。在這里使用 一個V-M

9、OS當(dāng)作電子開關(guān)。通過使用PWM控制方法和軟件程序相結(jié)合的方法,系統(tǒng)會控制TVS的開啟和關(guān)閉來控制加熱程序自動地開始或停止。V-MOS有電子管和晶體管的優(yōu)點：高轉(zhuǎn)變速度, 沒有熱故障和再故障, 容易連接等。圖2 系統(tǒng)算法流程圖5數(shù)據(jù)顯示由客戶需要, 選擇LCD組件LCM128645ZK作為顯示器。LCD顯示組件支持漢字輸出而且每一排能顯示八個漢字，可以同時顯示四排。它也能在同時間在一個熒屏中顯示漢字、標(biāo)準(zhǔn)代碼密碼和圖形。通過使用LCD顯示組件,系統(tǒng)能顯示系統(tǒng)菜單、現(xiàn)在時間、加熱時間, 現(xiàn)在溫度和預(yù)定溫度。通過使用LCD組件,使硬件結(jié)構(gòu)更簡單, 軟件易于維護和擴充?？梢詫崿F(xiàn)用圖形和文本顯示系統(tǒng)狀

10、態(tài)。在控制嵌板上有三個鍵: 好（OK），提高（UP）和降低（DOWN）。能設(shè)定: 1）單通道/雙通道運行是指它能同時為二個的病人加熱輸液;2）選擇控制系統(tǒng)菜單; 3）選擇需要注入并加溫的液體。6警報裝置本系統(tǒng)有二種警報信號, 一是能量補給的故障警報, 另外一個是溫度測量和控制裝置的故障警報。能量補給的故障警報和控制嵌板上的故障警報能被顯示。在溫度測量和控制單位, 當(dāng)輸出溫度超出極限或溫度感應(yīng)器元件缺失時，就會聽見警報信號提醒使用者。7程序設(shè)計在控制系統(tǒng)中，軟件設(shè)計和規(guī)劃非常重要。圖3表示的是系統(tǒng)軟件的構(gòu)成。圖3 系統(tǒng)軟件的構(gòu)成在這個部份中, 主程序可以實現(xiàn)初值設(shè)定和掃描鍵的功能。中斷程序Tim

11、er0和Timer1可由通道1和通道2運用PID算法來計算加熱時間。 作為定時器的Timer2用來控制抽取樣品溫度的時間。8結(jié)論此裝置體積小重量輕且操作方便衛(wèi)生。它也有低成本的價格優(yōu)勢。臨床實驗的結(jié)果表明這個裝置的操作即可靠又穩(wěn)定, 并且能很好的滿足醫(yī)院和病人的需求。目前已經(jīng)進入批量生產(chǎn)階段。這一套裝置具有很高的應(yīng)用價值和普及價值。參考文獻1 Yang Ning, Huang yuanfeng, Zhang zhimin The Three-Phase Electro-Thermal Household Water-Warm Constant Temperature Control Syste

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