医用输液加热系统的设计与实现

1、文献出处网址： 文献出处翻译示例: 医用输液加热系统的设计与实现杨晓玲 北京大学自动化学院王克明 北京大学信息科学与技术学院摘要：论文主要介绍医用输液加热系统的主要结构以及软件和硬件的实现方法。系统以AT89C52 单片机为基础采取整体-部分PID 增量算法和脉冲宽度调制 （PWM） 相结合。系统的运行程序由结构化模型组成。运行结果表明这个系统简单、可靠, 易于操作并且有高度控制准确性和短控制时间, 符合病人和医院两方的要求。关键词：注入；整体-部分PID增量算法；脉冲宽度调制1引言当一位病人正在接受医生输液/输血治疗时, 过低温度的液体对他有许多伤害: 1）因为注入到人体的大量的冰冷液体,可

2、能让病人身体更脆弱; 2）身体和液体之间温差很大, 在输液期间，它能引起病人身体的体温下降, 这对病人很危险。特别是快速输入大量冷血液时（标准温度为 4 °C.）（包含红血球、或新鲜的冷冻血浆），这样的低温血液对于病人自身体温来说可能是危险的,会引起体温下降、心律不齐、和血液凝固。低温血液和所含有的红血球会比温热的血液更黏稠, 而且达不到相同的流动速率,这样会减少配给药物的吸收效率。避免注入这样的液体给病人, 可以避免身体温度下降的危险而且也减少由于身体和液体之间的强烈温差所引起的病人的痛苦, 因此, 液体被加温到与人体相同的温度是很有必要的,这样的温度一般是37 °C。拥

3、有一套有效率的装置在为患者注射温热血液或其他的药物的期间对于保持体温来说是很必要的。在北京一所医院的支持下, 已经开发了这一医用输液/输血加热控制器。2系统设计考虑到系统对控制精度、调制时间和超越量的较高的需求，采用适当的控制算法是必要的。此外, 系统需要显示数据，比如说控制菜单,实时温度和设定温度等等。此系统基于AT89C52 的单片机而且采用整体-部分PID增量算法和脉冲宽度调制 （PWM）。系统有更快速的响应速度和较高的控制精度。 它包括温度采集、A/D 转换、AT89C52电源和显示电路。此系统在25 °C 至 41 °C期间可由手控设定温度，而且温差可以精确到0.

4、1°C。它能将血液等低温液体加温到预定温度并使液体的流动速度自动达到预设值。这套装置的一个特征是被注入的血液的温度保持在能够独立地流动的温度，并根据患者的需要使速度从每分钟0到150毫升变化。系统的结构图如图1所示：图1 系统结构图如图1所表示, 系统主要地包含四个部份: 信号采集与转换电路,运算控制电路, 数据显示电路和故障警报器。3、信号采集与转换电路信号采集与转换电路将温度信号转换成二进位形式的模拟信号对任何的温度控制系统都是必要的。在这里使用DS18B20来完成对温度的监测和转换。DS18B20是达拉斯公司生产的温度计。DS18B20在一辆单一电线的公共汽车上只需要一条数据线

5、 （和地面）就可以实现与单片机的沟通。它的可操作温度在-55°C到+125°C之间变化，而且在温度变化在 +85°C到-10°C范围的时候，也可以精确到0.5°C。除此之外，DS18 B20可以直接从数据线得到电力，不需要另外提供电源。而且, DS18 B20整合了许多功能组件，如温度传感器, 数据转换器, 记忆芯片和计算机接口。它能直接输出模拟温度信号与单片机沟通。因此，由DS18 B20芯片组成的系统在稳定性、准确性方面有明显优势。因此本系统为确保准确度, 选择DS18 B20的12位A/D转换器。4、控制算法在这里研究的输液加热系统有延迟

6、、实时和非线性的特性。在实际生产中构造精确的数学模型是不可能的。因此, 使用传统的线性控制理论以达到满意的控制效果是非常困难的。相比之下，时常被应用于工程学的PID控制器理论已经十分成熟，在控制理论和计算机的发展中PID控制的应用越来越广泛，这是众所周知的。由于系统的控制精度不大于0.1°C而且在考虑误差对控制系统的影响时, 采用PID增量算术控制算法，即：控制器输出的是控制的增量u（k）。它的计算公式是:u（k）=KPe（k）+KIe（k）+KDe（k）-e（k-1） （1）这里KP、KI 和 KD分别是比例，积分的和微分系数。e（k）是基本偏差, 即实际数值和预定数值之间的不同,

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误差和改良系统的控制精度。但是也可能引起一些问题：在短时间内系统会显现出比较大的误差；在PID积分作用下, 可能增加超调量或扰动而增加调节时间。因此在这种情况下, 引入了整体-部分PID运算概念。基于公式（1）, 可以得到整体-部分PID 的控制算法：u（k）=KPe（k）+ KIe（k）+KDe（k）-e（k-1） （3）当 |e（k）|<|e0| 时， =1；当 |e（k）|>|e0| 时， =0。 （4）当|e（k）|<|e0|,即 = 1时：u（k）=KPe（k）+KIe（

8、k）+KDe（k）-e（k-1） （5）此时采用PID 控制算法。当|e（k）|>|e0|,即 = 0时,u（k）=KPe（k）+KDe（k）-e（k-1） （6）采用PID 控制算法。考虑到注入加热系统的胶棒的超越量会给正在接受输液治疗病人带来危害, 采取基于公式（5） 和（6）的整体-部分PID 增量算法。系统的算法流程图如图2所示。控制算法的输出通常控制电热线的加热时间。为了保证系统的准确性，选择常被用于跳动宽度调音 （PWM）的单一周期控制方法。 PWM控制的基本原则正是在一确定的周期内调整任务比率, 那也就是说,一控制周期由“ON” 和“OFF ”组成.。在这里使用 一个V-M

9、OS当作电子开关。通过使用PWM控制方法和软件程序相结合的方法,系统会控制TVS的开启和关闭来控制加热程序自动地开始或停止。V-MOS有电子管和晶体管的优点：高转变速度, 没有热故障和再故障, 容易连接等。图2 系统算法流程图5数据显示由客户需要, 选择LCD组件LCM128645ZK作为显示器。LCD显示组件支持汉字输出而且每一排能显示八个汉字，可以同时显示四排。它也能在同时间在一个荧屏中显示汉字、标准代码密码和图形。通过使用LCD显示组件,系统能显示系统菜单、现在时间、加热时间, 现在温度和预定温度。通过使用LCD组件,使硬件结构更简单, 软件易于维护和扩充。可以实现用图形和文本显示系统状

10、态。在控制嵌板上有三个键: 好（OK），提高（UP）和降低（DOWN）。能设定: 1）单通道/双通道运行是指它能同时为二个的病人加热输液;2）选择控制系统菜单; 3）选择需要注入并加温的液体。6警报装置本系统有二种警报信号, 一是能量补给的故障警报, 另外一个是温度测量和控制装置的故障警报。能量补给的故障警报和控制嵌板上的故障警报能被显示。在温度测量和控制单位, 当输出温度超出极限或温度感应器元件缺失时，就会听见警报信号提醒使用者。7程序设计在控制系统中，软件设计和规划非常重要。图3表示的是系统软件的构成。图3 系统软件的构成在这个部份中, 主程序可以实现初值设定和扫描键的功能。中断程序Tim

11、er0和Timer1可由通道1和通道2运用PID算法来计算加热时间。 作为定时器的Timer2用来控制抽取样品温度的时间。8结论此装置体积小重量轻且操作方便卫生。它也有低成本的价格优势。临床实验的结果表明这个装置的操作即可靠又稳定, 并且能很好的满足医院和病人的需求。目前已经进入批量生产阶段。这一套装置具有很高的应用价值和普及价值。参考文献1 Yang Ning, Huang yuanfeng, Zhang zhimin The Three-Phase Electro-Thermal Household Water-Warm Constant Temperature Control Syste

12、m, Journal of Wuhan Institute of Chemical Technology. Vol.27, No.5, 2005:P23-252 Liao zhezhi, Wang jianyu LW-Resistance Furnace Temperature Control System, Packaging Engineering. Vol.22, No.1, 2001:P33-343 Ni kaiji, Wen youxian Research On The Resistance Furnace Temperature Control System Of 8808 Si

13、ngle Board Computer, Journal of Huazhong Agricultural University. Vol.18, No.3, 1999:P24-264 Yan xiaozhao, Zhang xinguo. Application of Increasing PID Controlling Method in Temperature Controlling System. Journal of Nantong University(Natural Science). Vol.5, No.4, 2006:P55-575 Chen dalin Ren zuping, The Design of Intelligent Water Temperature Controller. Mechanical Research & Application. Vol.