新型加溫器的研制

范穎

摘 要：介紹一種智能化高性能的輸液加溫裝置，它是以STM32系列單片機(jī)為控制核心，通過(guò)溫度傳感器的反饋信號(hào)，用單片機(jī)控制可控硅的觸發(fā)狀態(tài)，從而控制加溫器的加熱電路，實(shí)現(xiàn)加溫器的智能加溫。單片機(jī)的溫度檢測(cè)電路可以檢測(cè)加溫系統(tǒng)的加熱溫度是否適宜，避免溫度過(guò)高或過(guò)低而對(duì)患者產(chǎn)生不利的影響。采用溫度保護(hù)器保護(hù)加溫器因故障而出現(xiàn)高溫加熱的現(xiàn)象，因此提高了加溫系統(tǒng)的可靠性。該加溫系統(tǒng)可以智能控制加熱器溫度的高低，維持輸液的加溫溫度在恒定范圍內(nèi)，加溫溫度誤差小于1%，該系統(tǒng)使用方便，且體積小巧方便攜帶，成本低且性能良好，可以廣泛應(yīng)用于臨床輸液。

關(guān)鍵詞：加溫系統(tǒng)；單片機(jī)；溫度傳感器

中圖分類號(hào)：TH789 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）22-0116-02

Abstract： This paper introduces a kind of intelligent and high performance infusion heating device. It takes STM32 series single chip microcomputer as the control core， and through the feedback signal of temperature sensor， uses the single chip microcomputer to control the trigger state of thyristor， so as to control the heating circuit of the heater. The intelligent heating of the heater is realized. The temperature detection circuit of single chip microcomputer can detect whether the heating temperature of heating system is suitable or not， so as to avoid the adverse effect of too high or too low temperature on the patient. The temperature protector is used to protect the heater from high temperature heating because of the fault， so the reliability of the heating system is improved. The heating system can intelligently control the temperature of heater， keep the heating temperature of infusion in constant range， the temperature error of heating is less than 1%， the system is convenient to use， small and convenient to carry， the cost is low and the performance is good. It can be widely used in clinical infusion.

Keywords： heating system； single chip microcomputer； temperature sensor

1 背景

靜脈輸液是通常治療患者的一種常見輸送藥物方式，傳統(tǒng)靜脈輸液是直接將藥液通過(guò)輸液管輸入人體。但藥液通常與人體體溫有一定的溫差，當(dāng)輸入較多液體時(shí)，手臂很快就會(huì)感到冰涼，而感覺身體不適，易出現(xiàn)不良反應(yīng)。這一現(xiàn)象尤其在寒冷季節(jié)輸液時(shí)更加明顯嚴(yán)重。為了解決這一問(wèn)題，較普遍的方法是用熱水袋裝上熱水放在輸液管道上，但此方法使用效果差，滴速不恒定，加溫高低不易掌握，過(guò)高會(huì)降低藥物活性，降低藥效效，從而會(huì)影響治療效果。因此本文為改善目前這一情況，為此研制出一種智能加溫器，用它將輸入液體快速加熱至接近體溫，并可實(shí)時(shí)數(shù)字顯示加熱管道的溫度。從而改善醫(yī)療患者的情況，有助于患者早日康復(fù)。

2 加溫器系統(tǒng)組成

加溫器是一種間接式加溫裝置，它的加熱原理是在輸液時(shí)，輸液液體流經(jīng)輸液管道，輸液加熱器通過(guò)輸液管道對(duì)其進(jìn)行熱傳導(dǎo)，從而使輸液液體被加熱。加溫器系統(tǒng)由單片機(jī)控制系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)，顯示模塊，按鍵系統(tǒng)，報(bào)警系統(tǒng)等組成。加熱系統(tǒng)通過(guò)加熱器件給金屬鋁板加熱，上下金屬鋁板上的凹槽處可安裝輸液管，從而間接給輸液管加熱。顯示系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前加熱金屬板的溫度值大小。報(bào)警系統(tǒng)可以檢測(cè)加熱金屬板上的溫度過(guò)高或過(guò)低，可以因加溫器給輸液管加溫溫度過(guò)高或者沒有及時(shí)給輸液管加溫而進(jìn)行聲光報(bào)警（蜂鳴器報(bào)警，指示燈閃爍），從而提高加熱器系統(tǒng)的使用安全性。按鍵系統(tǒng)可由人為操作來(lái)設(shè)置不同功能反饋給單片機(jī)，包括調(diào)節(jié)溫度檔位的加減鍵，華氏溫度和攝氏溫度切換鍵，開關(guān)機(jī)啟動(dòng)鍵，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)功能。單片機(jī)控制系統(tǒng)則通過(guò)按鍵輸入狀態(tài)和溫度傳感器采集的反饋信號(hào)來(lái)控制加溫器是否開始加溫，及加溫的頻率，達(dá)到精確控溫的效果從而維持溫度保持恒定范圍，提高加溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 加溫器硬件組成

硬件設(shè)計(jì)的基本思路是實(shí)用、可靠以及小型化。為此選用了意法半導(dǎo)體公司的STM32F1系列單片機(jī)。該單片機(jī)內(nèi)核是Cortex-M3，性能優(yōu)越，使用非常方便。溫度顯示屏選用用4位8字寬LCD液晶屏，直接與CPU連接，前三位顯示溫度整數(shù)數(shù)值，第四位則顯示溫度小數(shù)值，鍵盤采用五個(gè)按鍵，功能鍵包括啟動(dòng)開機(jī)關(guān)機(jī)、溫度檔位加減、華氏攝氏溫度切換鍵，靜音鍵等。系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

（1）加熱控制保護(hù)電路。加熱控制保護(hù)電路是由加熱源（即發(fā)熱電阻絲），過(guò)熱保護(hù)器，晶閘管，單片機(jī)組成。發(fā)熱電阻絲和電源，過(guò)熱保護(hù)器以及晶閘管組成回路。電源由市電提供，當(dāng)晶閘管A，B端加上電壓時(shí)，A，B端會(huì)閉合，從而構(gòu)成閉合回路，加熱板發(fā)熱。又因市電為220V交流電，當(dāng)晶閘管AB端經(jīng)過(guò)過(guò)零電壓時(shí)，AB端會(huì)斷開，電路會(huì)停止加熱。需晶閘管C端由電壓觸發(fā)時(shí)，AB端才會(huì)重新閉合，構(gòu)成加熱回路。故晶閘管C端和單片機(jī)引腳相連，由單片機(jī)給晶閘管觸發(fā)電壓，從而可由單片機(jī)控制加熱電路的運(yùn)行。電路中的過(guò)熱保護(hù)器選用45度保護(hù)器，將保護(hù)器放入加熱板內(nèi)，當(dāng)加熱板的溫度在45度以下時(shí)，保護(hù)器是常閉狀態(tài)，故能保證加熱電路的正常運(yùn)行，當(dāng)加溫器系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，加熱板溫度大于45度時(shí)，則過(guò)熱保護(hù)器會(huì)斷開，從而使加熱電路停止加熱。故從而保障了輸液安全，提高了系統(tǒng)安全性。（2）溫度檢測(cè)電路。溫度檢測(cè)電路是由溫度傳感器，放大電路，單片機(jī)構(gòu)成。溫度傳感器選用熱電偶傳感器，小巧方便，溫度誤差小。將溫度傳感器的探頭放入加熱板內(nèi)，通過(guò)溫度的差異，將采集溫度信號(hào)反饋給單片機(jī)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)分析處理，若溫度超過(guò)用戶設(shè)定檔位的對(duì)應(yīng)溫度范圍上限時(shí)，則單片機(jī)停止給晶閘管觸發(fā)信號(hào)，使加熱電路無(wú)法加熱，而使溫度有所降低。若溫度低于用戶設(shè)定檔位的對(duì)應(yīng)溫度范圍的下限值，則單片機(jī)會(huì)觸發(fā)信號(hào)，使加熱電路運(yùn)行加熱。因此，通過(guò)溫度檢測(cè)電路，可使加溫器加熱溫度保持恒定，且溫度誤差小于2%。（3）報(bào)警電路。報(bào)警電路是整個(gè)加溫器系統(tǒng)的關(guān)鍵電路之一，直接影響到加溫器的使用安全性。報(bào)警電路是由單片機(jī)，LED燈，LCD顯示屏和蜂鳴器構(gòu)成，與單片機(jī)的引腳相連，直接由單片機(jī)控制，從而使得報(bào)警電路更加穩(wěn)定，響應(yīng)快。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定超過(guò)42度為高溫，當(dāng)加熱板上溫度達(dá)到42度時(shí)，溫度傳感器將電壓信號(hào)傳遞給單片機(jī)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)分析，得出高溫報(bào)警信號(hào)，從單片機(jī)通過(guò)脈沖驅(qū)動(dòng)蜂鳴器鳴叫和LED燈快速閃爍，單片機(jī)控制LCD顯示屏顯示“EEEE”，從而引起用戶注意，以便及時(shí)處理故障。當(dāng)加溫器無(wú)法加溫時(shí)，溫度傳感器將低溫信號(hào)（低于20度）傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)控制蜂鳴器鳴叫，控制顯示屏顯示“FFFF”字符，提醒用戶及時(shí)排除故障，使加溫器能正常加溫。因此，有了報(bào)警電路使得加溫器更加智能方便。

4 加溫器軟件組成

加溫器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括加溫控制程序，溫度報(bào)警程序，按鍵掃描程序，顯示屏顯示程序。加溫控制程序流程圖如圖2所示。

（1）加溫控制程序。加溫控制程序即控制單片機(jī)是否通過(guò)脈沖觸發(fā)晶閘管使得加溫電路正常運(yùn)行，加熱板加溫。通過(guò)溫度采集子程序采集溫度傳感器反饋的電壓信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)分析處理，控制加熱電路是否運(yùn)行及加熱頻率。（2）溫度報(bào)警程序。溫度報(bào)警程序是通過(guò)ADC采集的溫度信號(hào)，是否高出或低于程序設(shè)定的適宜溫度范圍，經(jīng)單片機(jī)分析處理，通過(guò)調(diào)用溫度報(bào)警程序程序來(lái)控制蜂鳴器鳴叫，LED燈閃爍，顯示屏顯示報(bào)警字符。（3）按鍵掃描程序。按鍵掃描程序即單片機(jī)通過(guò)按鍵掃描程序，掃描按鍵引腳的電平，來(lái)判斷是否有按鍵按下，共有5個(gè)按鍵，包括開機(jī)關(guān)機(jī)按鍵，溫度檔位加鍵，溫度檔位減鍵，華氏攝氏溫度切換按鍵，靜音鍵。（4）顯示屏顯示程序。顯示屏顯示程序是通過(guò)ADC采集的溫度信號(hào)反饋給單片機(jī)，由單片機(jī)分析處理，單片機(jī)通過(guò)顯示程序控制LCD顯示屏，根據(jù)信息顯示溫度數(shù)據(jù)，前三位顯示溫度數(shù)值的整數(shù)部分，最后一位顯示溫度數(shù)值的小數(shù)部分。另外，通過(guò)算法能夠?qū)⑷A氏溫度切換成攝氏溫度數(shù)值，使加溫器更加智能化，提高了用戶體驗(yàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用STM32單片機(jī)控制的加溫器系統(tǒng)具有成本低、體積小巧，使用方便、功能完善的特點(diǎn)，該裝置具有較高的精度和可靠性，與傳統(tǒng)輸液法比較，通過(guò)加溫器，對(duì)所輸藥液進(jìn)行加熱并達(dá)到一定的溫度范圍，能有效提高輸液的藥用效率，且不引起藥液變質(zhì)。降低了重癥患者因輸液溫度過(guò)低而對(duì)身體不利的安全風(fēng)險(xiǎn)，為患者帶來(lái)更多的福利工作效率，在醫(yī)院試用表明，該加溫器系統(tǒng)，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值?？蓮V泛用于臨床。

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