新生兒暖箱溫度控制電路設(shè)計

何敏 張煜 李小龍 吳靜 陸靜靜

（中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊第九○一醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科 安徽省合肥市 230031）

新生兒暖箱主要用于對早產(chǎn)、需要醫(yī)學(xué)觀察或者治療的新生兒提供一個相對穩(wěn)定的生長環(huán)境，設(shè)計理念是維持新生兒在母體子宮中的生長環(huán)境，其廣泛應(yīng)用于二甲以上醫(yī)院。其使用目的主要包括：

（1）提供適宜的環(huán)境溫度，保持體溫溫度；

（2）便于病情觀察；

（3）提高早產(chǎn)兒的成活率；

（4）保護性隔離。

其在早產(chǎn)兒、低體重兒、新生兒病理性黃疸等治療上發(fā)揮著重要的作用。

由于新生患兒的治療和觀察絕大部分時間是在暖箱中度過的，故對溫度自動控制要求很高，如果溫度控制電路發(fā)生故障，其后果不堪設(shè)想。暖箱因溫度失控，致使溫度過高導(dǎo)致新生兒高溫灼傷甚至死亡的報道也并非個例，例如，文獻報道1 例因暖箱溫度過高致新生兒死亡。也因此，新生兒暖箱是一種高風(fēng)險的醫(yī)療設(shè)備。故設(shè)計一套穩(wěn)定可靠的溫度控制電路有著重要的意義。

1 設(shè)計背景

筆者從事高風(fēng)險醫(yī)療設(shè)備質(zhì)控等工作多年，所在醫(yī)院的新生兒暖箱溫度控制電路有一定的故障率，主要是溫度控制失控。曾經(jīng)發(fā)生過一次暖箱達到設(shè)定溫度后仍在加熱，顯示溫度仍在不斷上升，非常危險，所幸的是醫(yī)護人員及時發(fā)現(xiàn)。也曾因溫度控制電路在某一段時間內(nèi)不穩(wěn)定，護士每天24 小時每隔10 分鐘巡視一次暖箱，大大增加了護士的工作量。后經(jīng)排故，發(fā)現(xiàn)故障多在于控制加熱器的繼電器，分析主要原因是：新生兒治療期間，由于暖箱體積小，很快能加熱到設(shè)定溫度，這時繼電器觸點動作控制加熱器停止加熱，暖箱又很快由于自然降溫降低到一定溫度，這時繼電器觸點又要動作控制加熱器繼續(xù)加熱，故整個過程繼電器觸點會反復(fù)動作。由于繼電器觸點長期頻繁吸合，加之繼電器控制交流220V 加熱器的通斷，易產(chǎn)生瞬間火花，故繼電器的壽命勢必會受到影響，進而在某一未知時間點發(fā)生故障，產(chǎn)生了極大的治療風(fēng)險。

因此，有必要改進電路降低風(fēng)險。為此，設(shè)計了一套基于雙向可控硅的溫度控制電路，發(fā)揮其特別適合做交流無觸點開關(guān)使用這一優(yōu)勢。在新生兒暖箱溫度控制電路中，文獻和文獻分別介紹采用FPGA 和單片機控制ADC 采集溫度實現(xiàn)控制，其都是主流的控制手段，然而未詳細提及加熱控制電路的實現(xiàn)。針對暖箱繼電器控制存在的缺點，很少有文獻提出改進設(shè)計電路。

2 硬件設(shè)計

硬件電路主要實現(xiàn)的功能是采集暖箱內(nèi)的溫度，并根據(jù)用戶設(shè)定的溫度值控制暖箱內(nèi)的加熱器開啟和關(guān)閉，進而實現(xiàn)暖箱內(nèi)溫度保持在用戶設(shè)定的溫度值附近。

整個硬件電路包括溫度：

（1）供電電路，為溫度采集電路、主控電路、溫度顯示與設(shè)定電路提供5V、3.3V 供電電壓，同時為加熱器開關(guān)控制電路提供220V、5V 電壓，使其工作。

（2）溫度采集電路，用于采集暖箱內(nèi)的溫度值；

（3）主控電路，是整個電路的“大腦”，實現(xiàn)溫度值的讀取和顯示，以及發(fā)出控制信號至加熱器開關(guān)控制電路；

（4）溫度顯示與設(shè)定電路，主要用于讓用戶設(shè)置溫度以及顯示溫度數(shù)值；

（5）加熱器開關(guān)控制電路，用于控制加熱器的開啟和關(guān)閉。電路框圖如圖1 所示。

圖1：硬件電路框圖

電氣連接方面，供電電路連接每個模塊，為每個模塊提供相應(yīng)的供電電壓；溫度采集電路采集的溫度傳感器電壓模擬值TEMP 連接至主控電路；主控電路的單片機IO 管腳連接至溫度顯示與設(shè)定電路、加熱器開關(guān)控制電路。

2.1 供電電路

供電電路主要作用是把輸入電壓轉(zhuǎn)化為需求的輸出電壓，示意框圖如圖2 所示。

圖2：供電電路示意框圖

如圖2 所示，輸入5V 電壓經(jīng)電源濾波器進行濾波輸出5V，降低了電磁干擾對設(shè)備的影響，5V 再經(jīng)電源轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成3.3V 和其本身進行輸出至相關(guān)模塊。220V 經(jīng)自恢復(fù)保險絲后輸出，自恢復(fù)保險絲的作用是當(dāng)220V 輸出存在過流時可發(fā)生自動斷路，進而保護整個電路，當(dāng)斷電后，自恢復(fù)保險絲又自動恢復(fù)正常的保護狀態(tài)，這樣可免去保險絲因過流發(fā)生熔斷需要更換帶來的不便。ESD 器件將并聯(lián)在電壓輸出處，其作為靜電防護器件，起到了靜電防護、防止浪涌電壓沖擊的作用，進一步保護了電路，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。整個電路需要做強弱電隔離處理。

2.2 溫度采集電路

本部電路分主要由溫度傳感器、兩級高精度運算放大器和配置的電阻組成，如圖3 所示，其中兩級高精度運算放大器分別采用的是SGM8552 芯片（圖中U1）和SGM8521 芯片（圖中U2）。

圖3：溫度采集電路

溫度傳感器一般選用熱敏電阻或PT100 鉑電阻，其放置于暖箱內(nèi)用于測量溫度值。溫度傳感器在不同溫度下呈現(xiàn)了不同的阻值，該電路把阻值轉(zhuǎn)換成電壓信號至微處理器，進而精確采集到暖箱內(nèi)的溫度。

如圖3 所示，溫度傳感器的兩端通過3.3V 電壓轉(zhuǎn)換成電壓信號后，分別連接第一級運算放大器SGM8552 芯片，SGM8552 芯片也恰好由兩個運算放大器組成。經(jīng)第一級放大后，獲得了放大后的差分電壓信號，再經(jīng)第二級運算放大器SGM8521 芯片，進而得到了進一步的信號放大。根據(jù)芯片的說明，如果圖3 中R/R=R/R，則得到圖3 所示放大后的電壓信號Vout 計算如式（1）：

通過配置電阻的比值即可實現(xiàn)電壓放大，由于采用的是兩級高精度運算放大器，同時，本部分電路的電阻全部選用精度為1%的電阻。故而可實現(xiàn)對溫度的高精度采樣，保障了溫度測量的精準(zhǔn)性。采集后的溫度數(shù)據(jù)是模擬電壓信號，輸出至主控電路。

2.3 主控電路

由于需要采集模擬信號并進行A/D 轉(zhuǎn)換，同時不涉及到復(fù)雜的運算。選取低成本的AVR 單片機Atmega88 便可以滿足開發(fā)需求。其含有8K Flash 和1K RAM，以及10-bit A/D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置上電復(fù)位電路、看門狗定時器電路、功能強大的定時器，提高了可靠性。搭建的電路圖如圖4 所示。

圖4：主控電路圖

單片機A/D 專用管腳連接溫度采集電路的模擬信號輸出端TEMP；10M 無源晶振Y1 為單片機提供時鐘信號；擁有下載口JTAG，供調(diào)試和下載程序所用。單片機的相關(guān)IO口連接SPI 總線和矩陣按鍵電路，用于溫度顯示和設(shè)定。HEAT_ON 用于控制加熱器的開關(guān)，是控制的關(guān)鍵。

2.4 溫度顯示與設(shè)定電路

溫度值顯示包括采集溫度值的顯示和設(shè)定溫度值的顯示。本設(shè)計采用128×64 LCD 作為顯示模塊。電路圖如圖5所示。

圖5：溫度顯示與設(shè)定電路簡圖

LCD 與單片機間通過SPI 總線進行通信，由于是單向通信，即單片機單方向向LCD 發(fā)送數(shù)據(jù)或命令，設(shè)計采用三根SPI 信號線可以滿足需求：SPI_CLK（時鐘信號），SPI_SS（片選信號），SPI_MOSI（數(shù)據(jù)信號）。根據(jù)LCD 的工作方式，需要單片機通過LCD_DC 信號線表明SPI 總線發(fā)送數(shù)據(jù)類型，即SPI 是高電平，則SPI 總線發(fā)送的是數(shù)據(jù)，相反，SPI 總線發(fā)送的是命令。LCD_RST_n 是LCD 的復(fù)位控制信號，低電平有效。LCD_BK 是LCD 的背景燈開關(guān)信號，正常使用需為高電平。單片機進行SPI 初始化，通過SPI 總線發(fā)送需要顯示的字符位置信息、字符信息至LCD 便可實現(xiàn)設(shè)計。

溫度設(shè)定采用按鍵實現(xiàn)，需要“溫度增”，“溫度減”等按鍵。通過按鍵發(fā)送高低電平至單片機IO 口實現(xiàn)命令的發(fā)送。為此節(jié)約IO 口，設(shè)計了矩陣按鍵電路。按鍵處并聯(lián)一電容，用于消除按鍵抖動。圖5 所示為其中一個按鍵的原理圖，COL1 和ROW1 作為“矩陣行列”與單片機I/O 口連接。

2.5 加熱器開關(guān)控制電路

新生兒暖箱加熱器一般采用AC220V 供電?？刂萍訜崞鞯墓ぷ魇菍崿F(xiàn)溫度控制的一個關(guān)鍵點，傳統(tǒng)的方法是采用繼電器觸點吸合來實現(xiàn)交流供電的開與關(guān)。本文采用雙向可控硅，也即三端雙向交流開關(guān)，其具有優(yōu)點：

（1）小功率控制大功率，功率放大倍數(shù)高達幾十萬倍；

（2）反應(yīng)極快，在微秒級內(nèi)開通、關(guān)斷；

（3）無觸點運行，無火花；

（4）具有壽命高、體積小的特點。

通過此實現(xiàn)交流220V 加熱器通斷具有優(yōu)異性。為此，搭建了控制電路如圖6 所示。

圖6：加熱器開關(guān)控制電路圖

首先，單片機控制信號HEAT_ON 經(jīng)隔離芯片后變成HE_ON。為了隔離耦合信號，降低干擾，HE_ON 不直接連接可控硅，通過光耦器件U9，控制雙向可控硅的開關(guān)。保證了控制的可靠性。這里采用常用的配合雙向可控硅的光耦芯片MOC3043，其含有雙向開關(guān)，并帶有過零檢測器。

其次，220V 火線連接保險絲FU1,再通過阻容器件連接光耦和雙向可控硅。當(dāng)加熱器過載則保險絲斷路，進而啟到保護的作用。220V 零線與加熱器的零線直接相連。

在雙向可控硅兩極間并聯(lián)電阻R23、R24、電容C50 作為吸收電路，用于實現(xiàn)對雙向可控硅的過電壓保護，更好的保護了雙向可控硅。其中，電容C50 采用耐較高電壓的滌綸電容。

實現(xiàn)方面，雙向可控硅Q1 輸出端220V_L 與加熱器火線相連。需要實現(xiàn)加熱器工作，則單片機將發(fā)送控制信號致使U9 導(dǎo)通，進而通過雙向可控硅控制端G 使得雙向可控硅導(dǎo)通，使得220V_L 與220V_IN 連接，220V_IN 即是市電的火線。這樣加熱器便可工作。相反，需要停止加熱器工作，則單片機再發(fā)送控制信號致使U9 不導(dǎo)通，則220V_L 不能獲取市電，加熱器不工作。整個電路穩(wěn)定可靠，其在交直流電機調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)功系統(tǒng)、溫度控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

3 軟件設(shè)計

單片機軟件的設(shè)計，主要包括溫度的實時采集、SPI 方式實現(xiàn)溫度顯示、溫度設(shè)定、加熱器控制。程序運行流程圖如圖7 所示。

圖7：程序運行流程圖

程序設(shè)計時，讀ADC值和SPI發(fā)送溫度值是重要的代碼。讀ADC 值部分關(guān)鍵代碼如下：

通過SPI 總線發(fā)送溫度值部分關(guān)鍵代碼如下：

4 電路測試

為了對本設(shè)計電路進行驗證，選取了實驗艙（其體積與暖箱體積相當(dāng)）模擬暖箱，內(nèi)置220V 交流加熱器和溫度傳感器。將設(shè)計電路板連接加熱器和溫度傳感器進行測試。溫度傳感器附近放置一電子溫度器顯示艙內(nèi)溫度。分別設(shè)置暖箱溫度為33℃、35℃、37℃各6 小時，間隔20min 讀取電子溫度器的值并進行記錄，得到曲線如圖8 所示。

圖8：6 小時讀取溫度值曲線

從上述曲線中，可以得出采集溫度值全部維持在設(shè)定的溫度附近，誤差<0.4℃。又設(shè)置溫度36℃對本系統(tǒng)不間斷運行14d，定期觀察LCD 上顯示的采集溫度值和艙內(nèi)電子溫度表的數(shù)值，誤差均在0.4℃以內(nèi)。且整個電路始終在平穩(wěn)運行。進而驗證了本電路的可靠性。

5 結(jié)語

本設(shè)計電路目的在于比對采集的暖箱溫度和設(shè)定的溫度值，進而控制220V 加熱器的開與關(guān)。為了提高溫度控制的可靠性，不采用傳統(tǒng)的繼電器作為開關(guān)，而采用更為合適的雙向可控硅，具有一定的創(chuàng)新性。經(jīng)過了測試，也驗證了開發(fā)電路的可靠性。

整個控制電路屬于設(shè)計階段，如果量產(chǎn)需要進一步完善：

（1）溫度傳感器需要放置于暖箱最合適的位置，甚至需要在暖箱內(nèi)放置多個傳感器，進而采集到暖箱內(nèi)最合適的溫度，保證暖箱溫度的適宜。

（2）溫度顯示采用筆段屏具有開發(fā)簡單、穩(wěn)定性好的優(yōu)點，由于需要一定起定量的定做，本次設(shè)計從考慮成本未能定做，后期批量生產(chǎn)可以采用。