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，通過對制冷系統(tǒng)的各部分的溫度檢測和操作人員對溫度的設定實現醫(yī)用控溫儀的溫度控制。文章在研究、參考國內外醫(yī)用控溫儀控制系統(tǒng)的基礎上，充分利用現代電子、傳感器、液晶顯示等方面的技術成果，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、計時等常規(guī)功能，而且抗干擾能力強，還具有存儲記憶等更實用的功能。

　　近幾十年來，現代醫(yī)學對很多神經內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，通過人工干預的方法，使病人的體溫降低，從而達到治療的目的。本文設計的醫(yī)用控溫儀在醫(yī)療方面主要應用于亞低溫治療，且屬于選擇性頭部降溫。通過對各種降溫方式進行比較，蒸汽壓縮式制冷循環(huán)技術應用時間較長且較為廣泛，安全性與可靠性以及技術成熟度都較高，故采用這種方式。該循環(huán)方式主要有壓縮機、熱量交換器、散熱器、干燥過濾器組成，其中熱交換器內部中設有環(huán)狀換熱管，散熱器為板式結構其側面設有冷卻風扇。制冷劑通過制冷循環(huán)將熱交換器中的熱量帶走，使熱交換器內部液體冷卻介質冷卻下來。同時熱交換器外部有水泵將其內部液體冷卻介質循環(huán)經過冰帽，使得冰帽內部溫度達到亞低溫狀態(tài)從而對患者進行治療。

　　1 醫(yī)用控溫儀控制系統(tǒng)總體方案設計

　　溫控儀控制系統(tǒng)以單片機為核心，通過溫度傳感器采集幾路的溫度數值來控制制冷系統(tǒng)與循環(huán)系統(tǒng)的啟停從而實現對被控對象的溫度控制；同時通過液晶顯示與鍵盤實現人機交互，使得操作過程簡潔方便。實現上述功能的醫(yī)用控溫儀控制系統(tǒng)方案設計包括以下幾個方面：

　　1）微控制器系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的中心部分，由單片機及其最小系統(tǒng)構成，負責采集傳感器信號與按鍵信號、實現溫度控制、輸出制冷控制信號、實現液晶顯示、實現存儲功能等；

　　2）溫度傳感器模塊：測量各路溫度，并將溫度值輸出給微控制器；

　　3）人機交互通道：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，控制制冷系統(tǒng)的通斷，并實現弱電控制系統(tǒng)與強電制冷系統(tǒng)的隔離，以保證控制系統(tǒng)的安全與可靠；

　　5）數據存儲模塊：實現系統(tǒng)的記憶功能，將數據存儲在該模塊中以保存數據防止斷電消失；

　　6）電源模塊：為整個系統(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)硬件電路設計

　　以Atmel公司生產的具有低功耗、高性能特點的8位單片機AT89C55WD 為硬件核心。通過數字溫度傳感器AD7416采集系統(tǒng)溫度，具有體積小、分辨率高等優(yōu)點。人機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，具有操作方便、美觀大方等優(yōu)點。采用存儲芯片HK1225-7實現系統(tǒng)能夠在斷電時也能記憶工作參數的功能。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，消除外界對系統(tǒng)產生的干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

　　2.1 溫度測量電路

　　采用3路測量電路分別對熱交換器內液體冷卻介質的溫度、冰帽內液體冷卻介質的溫度、人體溫度進行測量?？紤]到系統(tǒng)對精度的要求以及傳感器的成本，選擇ANALOG DEVICE公司生產的AD7416數字溫度傳感器芯片來采集溫度，可以在現場采集溫度數據，直接將溫度物理量轉換為數字信號并通過I2C通訊傳送給單片機進行數據處理。具有硬件電路簡單、體積小、使用方便等優(yōu)點，在傳輸距離、轉換時間、分辨率和測溫精度等方面相對于其他溫度傳感器有很大的優(yōu)勢，這給用戶帶來了更方便的使用效果，被廣泛應用在各個領域、各種環(huán)境的自動化測試和控制系統(tǒng)中。

　　I2C串行總線接口SDA（1腳）、SCL（2腳）與單片機的P1口相連接，在信號線上加4.7 kΩ的上拉電阻，以保證信號線在空閑狀態(tài)下保持高電平。由于AT89C55WD單片機P1口內部有10 kΩ的上拉電阻，故在外部再加10 kΩ的上拉電阻，兩個電阻并聯(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交流電與控制器內部5 V信號相隔離，在輸出部分采用光電耦合雙向可控硅驅動器MOC3083芯片對信號進行光電隔離，然后驅動雙向可控硅元件使制冷系統(tǒng)進行工作，以此來實現對制冷系統(tǒng)的控制。這樣可以避免外界信號對控制系統(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體器件，簡稱SCR，也稱晶閘管。它分為單向可控硅和雙向可控硅，在微機控制系統(tǒng)中，可作為功率驅動器件?？煽毓杈哂锌刂乒β市?、無觸點、壽命長等優(yōu)點，在交流電機調速、調速、隨動等系統(tǒng)有著廣泛的應用。本系統(tǒng)使用MOC3083光電耦合模塊與可控硅配套使用來實現單片機弱電控制信號控制220V強電的通斷。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輸出端控制壓縮機的工作，P3.5輸出端控制循環(huán)水泵的工作。當輸出端輸出低電平時，光電耦合模塊MOC3083導通，可控硅導通從而使壓縮機或者循環(huán)水泵工作。其中可控硅選用BTA20-600B，其最大導通電流為20 A、耐壓600 V、觸發(fā)電流50 mA，能夠滿足工作需要。

　　2.3 數據存儲電路

　　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)都應該與上一次斷電時的工作參數保持一致，這就要求系統(tǒng)在無電狀態(tài)下能夠保持數據不丟失。本控系統(tǒng)需要保護的數據有：冰帽設定溫度、工作時間和制冷設定溫度。為了實現數據存儲功能，選用NVRAM HK1225-7芯片保存數據。該NVRAM是完全靜態(tài)非易失性存儲SRAM組成8KB*8位存儲芯片，每片SRAM有一個自帶鋰電源與控制電路，經常監(jiān)視電壓是否低于容許值，當低于容許值時鋰電源自動接通，寫保護無條件啟動保護數據。HK1225-7存儲芯片可執(zhí)行的寫循環(huán)次數沒有限制，微處理器界面也不需要附加支持電路。

　　HK1225-7與單片機的接口電路如4所示。

　　圖4 HK1225-7與單片機接口電路

　　HK1225-7與單片機接口電路采用掛總線的方式連接，HK1225-7的數據總線與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相連是因為地址總線與數據總線是復用的，P0口在每個CPU周期的前半個周期輸出低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，后半個周期進行8位數據的輸入輸出，地址鎖存信號通過單片機的ALE輸出端輸出，ALE輸出端與鎖存器的使能端相連接；當單片機訪問外部存儲器時，ALE以每個機器周期兩次的信號輸出，以實現對低8位地址的鎖存。

　　3 醫(yī)用控溫儀控制系統(tǒng)軟件設計

　　本控制系統(tǒng)是以AT89C55WD單片機為硬件核心，軟件編程是在KEIL軟件中進行的。在本設計中，主程序模塊負責協(xié)調調用各個功能模塊，如圖5所示。

　　圖5 軟件功能結構框圖

　　程序在上電后調用程序初始化模塊先進行相應的初始化，比如開啟喂狗定時器、設置喂狗中斷、顯示初始界面、設置計時定時器等功能；然后調用存儲模塊對存儲芯片的數據進行讀?。蝗缓筮M入按鍵掃描與處理階段，此處與液晶顯示屬于人機交互模塊；最后調用讀取溫度數據模塊及控制模塊進行控制。

　　程序對單片機的硬件資源的使用包括3個16位的定時器：定時器1用來定時通過中斷以實現喂狗功能；定時器2用來控制系統(tǒng)工作時間的計時，并通過液晶顯示屏顯示；定時器3用來初上電計時預留時間給壓縮機預熱，且當控制器5min沒有接收到工作信號，控制系統(tǒng)自動按上次參數工作。

　　控制模塊包含兩個部分：一個是對循環(huán)水泵的輸出控制；另一個是對制冷壓縮機的輸出控制?？刂颇K根據按鍵掃描與處理模塊的工作信號來決定工作與否，根據按鍵掃描與處理模塊的設置的控制數據來判斷控制輸出與否。

　　4 結束語

　　經過實際調試與驗證，本控制系統(tǒng)具有結構簡單、成本低廉、控制靈活、性能可靠等一系列優(yōu)點，能夠滿足現實生產的需要，具有較好的應用與推廣價值。