基于STM32的嬰兒保暖臺控制系統(tǒng)設計

金愛國　吳海嘯　朱好生　華華

摘要：在傳統(tǒng)8位單片機控制系統(tǒng)的基礎上設計了一套基于STM32單片機的嬰兒輻射保暖臺控制系統(tǒng)，為提高系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性引入uCOS-Ⅲ嵌入式實時操作系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)主要由控制模塊、加熱模塊、LCD顯示模塊、報警模塊和電源模塊等組成。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能可靠地控制輻射頭加熱，使保暖臺床面達到預期溫度，同時能實時監(jiān)測加熱功率、溫度數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)等情況，一旦檢測到功能異常，立即發(fā)出報警信息。

關鍵詞：STM32;嬰兒輻射保暖臺;uCOS-Ⅲ;嵌入式實時操作系統(tǒng)

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A 文章編號：1009—9492（2021）03—0161—03

0引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，國民生活水平不斷提高，人們對于新生兒的健康狀況愈發(fā)重視。而早年出生的早產(chǎn)兒、病危兒、孱弱兒成活率相對較低。正因為此，后續(xù)逐漸就有了嬰兒輻射保暖臺等嬰兒護理產(chǎn)品的問世。由于醫(yī)療器械行業(yè)準入門檻相對較高，國內(nèi)生產(chǎn)嬰兒保育設備的公司本身就不多，技術較為成熟的保暖臺則大多采用8位機控制系統(tǒng)。目前醫(yī)療設備發(fā)展依靠智能化、集成化程度越來越高，傳統(tǒng)的8位機控制系統(tǒng)由于功能單一、控制能力有限等局限，已無法滿足于日益激烈的市場。與此同時，國外發(fā)達國家開發(fā)出較為完善的32位機控制系統(tǒng)，但存在成本較高的問題。由此可見，設計一套性能好且性價比高的嬰兒輻射保暖臺控制系統(tǒng)意義重大。

鑒于此，本文設計了一款基于STM32單片機和uCOS嵌入式操作系統(tǒng)的保暖臺控制系統(tǒng)。分析并設計了控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構框圖，在此基礎上著重討論了關鍵模塊的硬件電路設計。軟件方面，為了提高程序運行的實時性和可維護性，引入uCOS操作系統(tǒng)，將軟件程序設計模塊化，并劃分為一個個相對獨立的子任務。

1系統(tǒng)結(jié)構

由于保暖臺首要任務是溫度控制，在此基礎之上設計了系統(tǒng)核心結(jié)構框圖，如圖1所示。

如圖所示，該系統(tǒng)主要由5大部分組成，分別為電源模塊、控制模塊、加熱模塊、LCD顯示模塊與報警模塊。整個系統(tǒng)的能量來源于220V交流電轉(zhuǎn)56V直流電的開關電源，直接給輻射頭供電，經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換模塊之后又分級地將電壓轉(zhuǎn)換為12V、5V、3.3V，分別為固態(tài)繼電器、功率檢測芯片、MCU等芯片供電?？刂撇糠植捎弥鲝氖浇Y(jié)構，為的是提高整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。其中，主控芯片選用性價比較高的STM32F103ZET6，主要負責控制輻射頭的加熱與溫度數(shù)據(jù)采集以及其他功能模塊的運行。輔助芯片同樣負責溫度數(shù)據(jù)的采集和控制輻射頭的加熱，主從控制芯片通過RS232串口進行數(shù)據(jù)的收發(fā)。加熱模塊是設計中的重點亦是難點，主控芯片通過固定的管腳輸出占空比可調(diào)的PWM方波控制輻射頭的加熱，其中占空比的大小采用變論域模糊PID控制算法計算得到。雙路膚溫傳感器用于采集保暖臺床面的實際溫度并反饋至主控芯片和輔助芯片。功率檢測芯片用于實時控制輻射頭的功率，判斷是否加熱異常。報警模塊負責系統(tǒng)工作異常時發(fā)出聲光報警信息，其中包括功率異常報警、保暖臺超溫報警、溫度傳感器故障報警等。LCD顯示模塊主要用于顯示設定溫度、床面實際溫度、加熱比例以及各種報警提示信息等。

2硬件電路

在控制系統(tǒng)中將主控板和驅(qū)動板獨立設計，最大程度上確保各功能模塊互不干擾，同時也提高了系統(tǒng)硬件的可擴展性。主控板除了控制輻射頭加熱，還用于控制外圍時鐘芯片、FLASH存儲芯片、手勢識別芯片、功率監(jiān)測芯片等。同時還包含過壓過流超溫保護電路，確保系統(tǒng)的可靠性。驅(qū)動板的設計相對簡單，主要負責電壓轉(zhuǎn)換，輻射頭控制回路中雙路固態(tài)繼電器的控制、功率監(jiān)測和信號隔離。以下對主要功能模塊進行介紹。

2.1溫度采集電路

此處設計了兩路采集電路，以提高溫度采集的可靠性，通過比較兩路溫度值，從而判斷溫度傳感器是否正常工作，具體電路如圖2所示。J1接口用于連接溫度傳感器，為了提高電源的穩(wěn)定性，降低電壓紋波，經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換芯片TL4050-Q1之后得到REFA（5V）直流電壓。采集回路中分別掛載了2個獨立的0.01μF電容和20kΩ上拉電阻。其中電容的作用是對采集的電壓值做一個低通濾波，電阻值的確定主要考慮以下兩個因素：（1）ADC電壓采集范圍（0～5V）;（2）溫度傳感器在保暖臺正常工作溫度下電阻值的波動范圍。skin和skin_iso信號分別連接模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的2個輸入通道。

2.2模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

綜合考慮模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的成本和轉(zhuǎn)換精度，選用了TI公司的TLV2548芯片。該芯片有8個輸入通道，遵循四線制SPI通訊協(xié)議，電壓轉(zhuǎn)換范圍為2.7～5.5V。具體轉(zhuǎn)換芯片外圍電路的設計如圖3所示?；鶞孰妷哼B接較為精準的REFA參考電壓（5V），A0、A1通道連接溫度采集電路中的skin和skin_iso的溫度信號;A2通道測量外接電池電壓;A3、A4、A5、A6通道閑置，作為今后擴展使用;A7通道用于檢測轉(zhuǎn)換芯片是否發(fā)生故障，若轉(zhuǎn)換完之后對應的電壓值大約為2.5V，說明芯片正常工作，若偏差較大說明AD芯片損壞。

2.3功率監(jiān)測電路

因為輻射加熱頭隨著工作時長的增加會有加熱異常的風險，故設計了功率監(jiān)測模塊用以監(jiān)測輻射頭的加熱功率，一旦發(fā)現(xiàn)功率異常則發(fā)出相應的報警信息。綜合性能與價格后選擇了凌特公司的LTC2945芯片，該芯片采用常見的IIC通訊協(xié)議并且有相應的接口，降低了開發(fā)難度且縮短開發(fā)時長。其中采樣電阻的合理選擇是確保功率采集精度的核心器件。具體監(jiān)測電路如圖4所示。

因為輻射頭額定工作電壓為56V，電阻約等于7Ω，功率監(jiān)測芯片的最大采樣電壓為102.4 mV，根據(jù)歐姆定律可得：

綜合上述兩式以及常見的電阻，選用阻值為10mΩ，精度為1%，功率為2W的采樣電阻，將其接人SENSE+和SENSE-管腳，INTVcc管腳是5V電壓輸出端，ADR0和ADIN用于確定芯片的地址，接地表示地址為0x00。區(qū)別于常規(guī)IIC接口的是輸入輸出數(shù)據(jù)分別與SDAI和SDAO相連，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎蜏蚀_率。

3軟件程序

因為控制系統(tǒng)涉及到的任務相對較多，如果采用前后臺控制系統(tǒng)，一旦有某個任務發(fā)生故障就可能引起整個系統(tǒng)的癱瘓，具有較大的安全隱患，故此引入uCOS-Ⅲ嵌入式實時操作系統(tǒng)。本設計基于uCOS-Ⅲ共劃分14個任務，其中較為關鍵的任務有開始任務、溫度控制任務、溫度采集任務、功率監(jiān)測任務、液晶顯示任務、報警任務、數(shù)據(jù)存儲任務。

開始任務用于創(chuàng)建其余子任務，一旦創(chuàng)建成功就掛起自身，釋放內(nèi)存后不再運行。溫度控制任務是設計的關鍵，用于控制輻射頭的加熱。溫度采集任務用于采集保暖臺床面的實際溫度。功率監(jiān)測任務實時監(jiān)測輻射頭加熱功率。液晶顯示任務顯示設定溫度、實際溫度、時間等信息。報警任務為當系統(tǒng)異常時發(fā)出各種聲光報警信號。數(shù)據(jù)存儲任務用于存儲實際溫度、加熱功率、系統(tǒng)工作時間等數(shù)據(jù)。

主控芯片簡化的程序流程框圖如圖5所示。首先在main（）函數(shù)中調(diào)用OSInit（）函數(shù)，將uCOS系統(tǒng)初始化;初始化控制系統(tǒng)中相關外設;之后創(chuàng)建開始任務，調(diào)用OS_CPU_SysTickInit（）函數(shù)初始化時鐘節(jié)拍，在開始任務中創(chuàng)建其他用戶任務;最后調(diào)用OSSart（）函數(shù)開始正常運行。

4結(jié)束語

本文設計了一套基于STM32和uCOS操作系統(tǒng)的嬰兒輻射保暖臺控制系統(tǒng)，并描述了系統(tǒng)整體結(jié)構、部分硬件電路和主機程序流程。實驗表明，相較于傳統(tǒng)的8位機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)無論是穩(wěn)定性還是實時性方面都有顯著提升，同時預留了足夠的端口，方便后續(xù)功能的完善和拓展，這也將是未來國內(nèi)智慧醫(yī)療器械產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，具有較大的現(xiàn)實意義。