基于單片機(jī)的便攜式醫(yī)用液體恒溫箱的設(shè)計與研制

郭文旭陳清奎李信政

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基于單片機(jī)的便攜式醫(yī)用液體恒溫箱的設(shè)計與研制

郭文旭①陳清奎①李信政①

［摘要］目的：研制一種攜帶方便、價格低廉的醫(yī)用液體加熱保溫裝置，用于醫(yī)用液體的加熱及恒溫保存。方法：采用單片機(jī)系統(tǒng)對溫度進(jìn)行控制，設(shè)定好溫度后溫度傳感器實時采集并顯示箱內(nèi)溫度，當(dāng)溫度低于設(shè)定值時加熱模塊啟動，達(dá)到設(shè)定值后停止加熱。結(jié)果：使用校準(zhǔn)的水銀溫度計檢驗恒溫箱的溫度控制效果顯示，恒溫箱設(shè)置的溫度值與水銀溫度計的指示溫度數(shù)據(jù)無明顯差異，恒溫箱溫度控制效果良好。結(jié)論：便攜式醫(yī)用液體恒溫箱溫度控制精確，分辨率高，溫度波動幅度小，能夠滿足臨床需要，具有一定的臨床推廣價值。

［關(guān)鍵詞］醫(yī)用液體；恒溫箱；單片機(jī)

郭文旭，男，（1985- ），碩士，工程師。白求恩國際和平醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，從事劑量與維修工作。

［First-author’s address］ Medical Engineer， Bethune International Peace Hospital， Shi Jiazhuang Hebei， 050082， China.

靜脈輸液是臨床最常用的治療護(hù)理手段之一，如果將醫(yī)用藥液恒溫加熱到37 ℃再輸入人體，可減輕對血管的刺激，更好保證治療效果。當(dāng)患者需要輸血時在血庫中取出的血液溫度往往很低，若加溫至32～35 ℃人體接受的溫度，可防止低體溫癥的出現(xiàn)。因此，各醫(yī)院均配備有恒溫箱，而恒溫箱體積龐大，靈活性差且價格昂貴。為此，本研究研制一種便攜式、價格適中的恒溫箱，以滿足臨床治療需要。

1 醫(yī)用恒溫箱的設(shè)計與研制

1.1 溫度控制原理

（1）系統(tǒng)主要功能模塊。研制醫(yī)用恒溫箱系統(tǒng)是采用單片機(jī)進(jìn)行控制的恒溫箱，包括溫度設(shè)定按鈕、溫度顯示、溫度調(diào)節(jié)、實時溫度顯示、預(yù)定溫度顯示轉(zhuǎn)換按鈕及溫度采集等，根據(jù)需要可另設(shè)或多設(shè)相關(guān)功能［1］。顯示系統(tǒng)除顯示實時的溫度外還能夠顯示設(shè)定的溫度，即根據(jù)需要設(shè)置所要保持的溫度。醫(yī)用恒溫箱系統(tǒng)的主要功能模塊如圖1所示。

圖1 醫(yī)用恒溫箱系統(tǒng)主要功能模塊框圖

（2）實時溫度顯示。智能醫(yī)用恒溫箱采用模塊化系統(tǒng)設(shè)計，同時可在生活中有廣泛的應(yīng)用［2］。模塊系統(tǒng)上電后默認(rèn)設(shè)定的恒溫溫度為28 ℃，使用時可自行將預(yù)期的恒溫溫度范圍調(diào)節(jié)為28～40 ℃。調(diào)節(jié)好后系統(tǒng)會將采集到的實時溫度與設(shè)定的預(yù)期溫度進(jìn)行比較，若實時溫度比預(yù)期溫度低則開啟加熱設(shè)備［3］。在顯示電路上所顯示的溫度為實時溫度，即傳感器即時采集來的溫度；若想顯示設(shè)定的預(yù)期溫度可按顯示切換鍵，即顯示器上則會顯示預(yù)期溫度；數(shù)秒鐘后跳回，顯示實時溫度［4］。當(dāng)顯示實時溫度的發(fā)光二極管點亮?xí)r，則顯示實時溫度；而當(dāng)顯示預(yù)期溫度的發(fā)光二極管點亮?xí)r，則顯示預(yù)期溫度［5］。

（3）AT89S51單片機(jī)。整個恒溫箱的核心是單片機(jī)，本設(shè)計采用AT89S51單片機(jī)（美國ATMEL公司）為處理器裝置［6］。AT89S51單片機(jī)為CMOS型，該單片機(jī)裝置具有體積小、功耗低及性能穩(wěn)定等特點，其片內(nèi)只讀存儲器（read only memory，ROM）為8 KB，片內(nèi)隨機(jī)存儲器（random access memory，RAM）為256 B，適合實時控制系統(tǒng)，可滿足恒溫箱系統(tǒng)的要求，避免外部擴(kuò)展而帶來的諸多不便［7］。內(nèi)部電路設(shè)計采用C語言編寫，可完成溫度參數(shù)設(shè)定、溫度采集計算、溫度顯示、溫度比較即溫度調(diào)節(jié)等功能［8］。

1.2 恒溫箱的工作流程

醫(yī)用恒溫箱系統(tǒng)工作流程為設(shè)定預(yù)期溫度→溫度采集和計算→溫度比較和溫度調(diào)節(jié)→實時溫度顯示→設(shè)定溫度顯示5個步驟。

（1）設(shè)定預(yù)期溫度。需要調(diào)節(jié)預(yù)期溫度時先閉合“溫度設(shè)定”開關(guān)，進(jìn)入調(diào)節(jié)狀態(tài)，此時會顯示設(shè)定的溫度值；需要退出調(diào)節(jié)狀態(tài)時，斷開“溫度設(shè)定”開關(guān)即可。

（2）溫度采集和計算。單片機(jī)通過與溫度傳感器進(jìn)行通信，獲取實時溫度信息，并將所獲取的溫度信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為攝氏溫度的形式存儲起來［9］。

（3）溫度比較和溫度調(diào)節(jié)。將存儲的實時攝氏溫度與設(shè)定的預(yù)期溫度進(jìn)行比較，如果實時溫度低于設(shè)定溫度，則開啟加熱器［10］。

（4）實時溫度顯示。將存儲的實時溫度顯示在發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）數(shù)碼管上。

（5）設(shè)定溫度顯示。當(dāng)需要查看設(shè)定的預(yù)期溫度，則需按下“溫度顯示切換”按鍵，然后LED顯示器會顯示設(shè)定預(yù)期的溫度，顯示數(shù)秒時間后跳出預(yù)期溫度的顯示［11］。若再想查看預(yù)期溫度顯示則需再次按下“溫度顯示切換”按鍵。

1.3 恒溫箱溫度控制裝置

醫(yī)用恒溫箱系統(tǒng)采用AT89S51單片機(jī)及外圍接口，恒溫箱的設(shè)計實現(xiàn)了溫度控制系統(tǒng)的可靠性、簡化電路結(jié)構(gòu)、節(jié)約成本以及實用的工程設(shè)計理念［12-13］。應(yīng)注意的是，恒溫箱內(nèi)不可過于干燥，否則可能會產(chǎn)生靜電進(jìn)而影響溫度傳感器的測量準(zhǔn)確性。因此，設(shè)計的恒溫箱引入加濕裝置對箱內(nèi)濕度進(jìn)行補(bǔ)償［14］。加濕裝置默認(rèn)濕度范圍RH為40%～50%，濕度控制器的控制原理與操作方式與溫度控制器相類似。恒溫箱實物如圖2所示。

圖2 恒溫箱實物示圖

表1 恒溫箱溫度與水銀溫度計對比情況(±s)

表1 恒溫箱溫度與水銀溫度計對比情況(±s)

溫度顯示類型　　溫度數(shù)值（℃）溫控儀設(shè)置溫度　28　31　34　37　40水銀溫度計示數(shù)　28.0±0.2　30.9±0.1　34.1±0.2　37.1±0.1 39.9±0.2

2 醫(yī)用恒溫箱應(yīng)用效果

2.1 溫度控制效果驗證

檢驗恒溫箱的溫度控制效果方法：①將一支水銀溫度計放入恒溫箱內(nèi)，將恒溫箱溫度分別設(shè)定為28 ℃、31 ℃、34 ℃、37 ℃和40 ℃，同時記錄水銀溫度計的示數(shù)；②將恒溫箱溫度與水銀溫度計的示數(shù)進(jìn)行比較，實驗共重復(fù)5次［15-16］。溫度控制效果驗證所得結(jié)果見表1。

表1顯示，恒溫箱設(shè)置的溫度與水銀溫度計的示數(shù)無明顯差異，表明本恒溫箱溫控效果良好［17］。

根據(jù)所選擇的傳感器性能參數(shù)推算所得，恒溫箱主要性能指標(biāo)見表2。

表2 恒溫箱主要性能指標(biāo)（℃）

2.2 應(yīng)用效果分析

恒溫箱具有體積小巧、攜帶方便以及溫度控制精度高等優(yōu)點，適用于醫(yī)院、實驗室、疾病控制中心及藥店等醫(yī)療機(jī)構(gòu)各種藥液的加溫、恒溫保存。由于本恒溫箱價格適宜，尤其適合鄉(xiāng)鎮(zhèn)醫(yī)院及衛(wèi)生所等中小醫(yī)療機(jī)構(gòu)。

3 結(jié)論

本研究設(shè)計研制的醫(yī)用液體恒溫箱經(jīng)臨床醫(yī)療機(jī)構(gòu)驗證，溫度控制精確，經(jīng)用水銀溫度計驗證其溫度控制效果，恒溫箱設(shè)置的溫度與水銀溫度計的示數(shù)無明顯差異，恒溫箱的分辨率高（0.1 ℃），溫度波動幅度?。ā?.2 ℃），可滿足臨床需要。在對患者靜脈輸液時可將藥液均勻地恒溫至37 ℃，明顯減輕患者靜脈滴注過程中對血管的刺激，顯著提高患者的舒適度。在患者手術(shù)過程中將藥品加熱恒溫至37 ℃后再使用，可有效預(yù)防低體溫癥的出現(xiàn)，避免術(shù)后感染率，從而極大提高手術(shù)的成功率。

基于單片機(jī)的醫(yī)用液體加熱保溫裝置，可用于生理鹽水、注射液及透析液等醫(yī)用液體的加熱、恒溫保存，且攜帶方便、價格適中，可滿足各級醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)的需要。

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①白求恩國際和平醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科 河北 石家莊 050082

［文章編號］1672-8270（2016）05-0014-03 ［中圖分類號］ R197.39

［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A

DOI:10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.05.005

作者簡介

收稿日期：2015-09-26

The design and development of a portable thermostat apparatus for medical liquid based on Single-Chip-Microprocessor

GUO Wen-xu， CHEN Qing-kui， LI Xin-zheng

China Medical Equipment，2016，13（5）:14-16.

［Abstract］ Objective: Some medical liquid needs to be heated to the human body temperature，so the constant temperature case is a necessary equipment. But the common constant temperature case is often bulky， inconvenient application and the price is very high， so this paper is mainly to develop a convenient and cheap thermostat device for medical liquid heating. Methods: The system used single-chip microcomputer for temperature control. The temperature sensor collected and displayed the temperature of the box when the temperature was set up. Then the heating module started when the temperature was lower than the set point， and stopped heating when reaching to the set point. Results: The temperature control effect of constant temperature case tested by calibrated mercury thermometer， the temperature of constant temperature case was not significantly different from that of mercury thermometer. Conclusion: The portable constant temperature case for medical liquid have the characteristics of precise temperature control， high temperature resolution， and small temperature fluctuations. It can meet the clinical needs and be worth to popularizing in clinical applications.

［Key words］Medicinal liquid； Constant temperature case； Single chip microprocessor