基于ARM的医用控温毯控制系统的设计.docx

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1、基于ARM的医用控温毯控制系统的设计随着医疗科技的发展，能够进行物理控温的医疗器械控温毯的发明，解决各临床科室对于一些特殊患者的治疗难题。但调查发现大部分医用控温毯不能够精确地进行温度控制且安全方便也有所欠缺，为了改善这些不足，本设计在参考国内外医用控温产品功能与设计的基础上，充分利用嵌入式开发及数字传感技术，提出了基于ARM芯片的医用控温毯控制系统的开发思路。以STM32F103RC芯片为核心处理器，采用可触摸液晶屏显示实现人机交互，通过传感器采集患者的体温、半导体制冷模块的实际温度等其他数据，控制输出不同占空比的脉冲调制信号，并利用对应的电路设计来控制温控模块使其按照操控完成温度的变化；本

2、设计所利用的是嵌入式开发技术，使得系统可根据不同的需求进行相应的拓展与升级；为满足更高的工作性能与稳定性要求，控制系统软件设计采用嵌入式实时操作系统uCOS-II进行设计；采用触控操作使得系统的控制更加的人性化。控制系统采用KeiE软件进行开发，为用户提供简洁大方、界面友好的操作体验，以安全可靠、高精度控制、便于拓展开发为设计目标，极大增强医用控温毯的产品竞争力，有较好的实用价值和广阔的市场发展前景。关键词：STM32:温度控制；PWM;传感器AbstractWiththedevelopmentofmedicalscienceandtechnology,theinventionofmedica

3、linstrumenttemperaturecontrolblanketwhichcanphysicallycontrolbodytemperaturehassolvedthetreatmentproblemsofsomespecialpatientsinclinicaldepartments.Butthesurveyfoundthatmostmedicaltemperatureblanketwillnotbeabletoaccuratetemperaturecontrol,safeandconvenientalsowantstoimprovethesedisadvantages,thisde

4、signreferenceforthedomesticandforeignmedicalproductfunctionandthedesignoftemperaturecontrol,basedonmakefulluseofembeddeddevelopmenttechnology,basedonthetouchscreentechnology,digitalsensortechnologymedicalARMblankettemperaturecontrolsystemdesignschemeofthechip.STM32F103RCchipasthecoreprocessor,cantou

5、chLCDdisplay,human-computerinteraction,throughthesensortocollectthepatientdatasuchastemperatureandrealtemperatureofthesemiconductorrefrigerationmodule,controloutputpulsemodulationsignalsofdifferentdutyratio,andthecorrespondingcircuitdesignisusedtocontrolthechangeofthetemperaturecontrolmodule,makeita

6、ccordingtothecontroloftemperaturechange;Thisdesignusesembeddeddevelopmenttechnology,sothatthesystemcanbeexpandedandupgradedaccordingtodifferentneeds.Inordertomeetthehigherreal-timeandstabilityrequirements,theembeddedreal-timeoperatingsystemuC/OS-IIisusedtodesignthecontrolsystemsoftware.Theuseoftouch

7、controlmakesthecontrolofthesystemmoreuser-friendly.ThecontrolsystemisdevelopedwithKeil5software,whichprovidesuserswithsimple,easyanduser-friendlyoperationexperience.Withthedesigngoalofsafe,reliable,high-precisioncontrolandconvenientdevelopment,theproductcompetitivenessofmedicaltemperaturecontrolblan

8、ketisgreatlyenhanced,andithasgoodpracticalvalueandbroadmarketdevelopmentprospect.Keywords:STM32;Temperaturecontrol;PWM;Sensingelement目录摘要IAbstractII第1章雌I1.1 国内外研究现状及研究背景11.2 研究意义及目标1第2章系统总体方案设计32.1 研究方案选择32.1.1 温度控制方案选择32.1.2 PWM脉冲控制原理42.2 系统总体软设计方案4第3章硬件及电路设计63.1 主控电路设计63.1.1 中央处理器简介63.1.2 主控电路73.2

9、 信号采集电路设计83.3 直流斩波电路93.4 液晶接口电路设计103.5 其他电路设计113.5.1 温度报警电路113.5.2 电源电路11第4章系统软件设计134.1 控制界面设计134.1.1 界面开发134.1.2 串口屏任务设计144.2 信号采集与控制任务设计144.3 时钟任务与报警任务设计15第5章系统测试175.1 硬件连接测试175.2 串口屏测试175.3 传感器及报警任务测试18结语20参考文献21l三:22致谢24第1章绪论1.1 国内外研究现状及研究背景近些年来，具有控温功能的医用控温毯因为其便捷安全性以及出色的疗效等特点而受到许多临床医学家的青睐。由于电子技术

10、与控制技术等科学技术的发展，国外的医用控温毯产品的研究发展总体来说要超过国内。根据可搜集到的资料来看，最初被大规模投入使用的医用控温毯产品是在60年代由美国的一家企业研制出的BIankeIroln系统，并由最初的只具有升温功能的产品，逐步完善成为同时具备降温升温功能的产品，也是世界上目前应用最为广泛，最为认可的医用控温毯产品；同一时代的相似产品还有BaXter公司的RK系列产品，以及GayMar公司的MTA系列产品等，现如今在各个大型医院中所使用的温控产品大部分仍是国外生产的器械I7。国内的医用控温产品的研究起步较晚，而且研究初期我国对于此类产品的管理查验也并没有那么严格，一直到2014年才发

11、布医用控温毯产品注册技术审查指导原则等相关文件，但是还没有出台相关标准，还是主要依靠各个企业自制的相关要求来进行制造。但国内的相关类型产品在功能设计、温控精度、操作界面等方面仍存在不少问题，比如由于电磁干扰导致的仪器操作失灵而造成使用者受伤事件，还有由于安全设计方面有所不足而导致的产品警报提醒功能不完善存在安全隐患，如今就有以前医用控温毯失灵导致使用者受伤的记录再案，而国外的产品则很少会出现此类状况。还有在温控精确度方面，国外的医用控温产品的步进精度一般都是小于士1,且系统反应灵敏、温度改变速率较快；而国内的同类型产品的实际控制精度则往往大于1.5。使用加热管与普通制冷机对循环液体实现加热与制

12、冷的效果，这是大部分国内的医用控温毯所运用的制造方案，所运用方法类似于国外早期的产品制造，但是普通制冷机运行由开关进行控制，如果频繁的控制会造成较差控温效果，而电加热管进行升温难免不会出现漏电的危险的可能性。而国外对于此类控温毯的设计采用了半导体温控技术，使用半导体制冷模块无需额外的机械部件、较长的使用周期、环保无污染，而且能完成制冷又能实现升温，只需一个半导体模块的设计极大简化了产品结构又可以保证效果不会打折扣，从而拥有了更强的竞争力。1.2 研究意义及目标在当代临床医学领域，有许多的治疗方案需要对患者的局部身体甚至全身进行物理控温处理。物理控温治疗中较为常见的是被应用在内科、神经外科等医学

13、领域的亚低温治疗以及一些手术之后的体温维持。国内的医用控温毯产品与国外的相关产品相比较而言，在安全可靠性、温控精确度、操作控制界面等方面还需要很长的一段路，本设计希望通过嵌入式开发，设计出更加安全可行的医用控温毯控制系统方案，可以改善这些不足。希望通过嵌入式开发设计完善的报警功能以及在硬件上增加更加安全可靠的保护措施从而保证系统的安全问题，使用精确的控制算法和选取合适的传感器件保证系统的精度控制。设计此系统主要为了完成更加可靠安全的温控产品，最终能够追赶上国内外同类型产品的脚步，减小与国外同类型产品之间的差距，进一步解放医护人员劳动力、减少医疗卫生成本、提高医疗服务效率，创造更高的社会效益与经

14、济效益1314O参考目前医疗器械市场上的其他同类型医用控温毯的功能与使用标准，对本设计提出以下几点主要实现功能作为研究方向：(1)控制系统以STM32F103RC芯片为开发核心，可自由设定输出温度，通过PWM脉冲控制电流继而控制半导体的温度，步进温度力求控制精度小于0.5,允许小范围误差。(2)控制系统可按照设定时间读取患者体温，能够按照需要设置体温监测范围，允许小范围误差。(3)控制系统应建立美观的、人性化的操作界面。(4)控制系统检测异常温度时，如检测到人体温度超限变化时具有相应的提示功能。(5)控制系统设计方面应具有较好的可维护性和可拓展性，为以后的系统的维护、开发升级提供便利，以适应未

15、来医疗的卫生事业的发展进步。第2章系统总体方案设计本设计目标是设计研发更加可靠地医用控温毯的操控系统，它能够按照设定时间采集医用控温毯各个工作点的监测信息，并同时操作输出PWM脉冲控制半导体制冷模块的温度达到使用者所设置的温度值，从而达到物理控温的目的。本设计使用了嵌入式开发技术，触摸液晶技术，传感器技术以及可靠的半导体控温模块完成设计目标。2.1 研究方案选择2. 1.1温度控制方案选择目前国内医疗器械市场上大部分销售的医用控温毯的控温功能往往通过加热管加热与普通压缩机制冷循环液体来完成；比如就降温功能这一方面来看，通过压缩机制冷实现循环液体的温度降低有降温效率高、可降温度低等优势，但是其也

16、间接导致了医疗成本过高、器械占据空间大、使用时噪声过大、制冷剂有毒等弊端，此外如果采用普通制冷机，控制系统因其开关控制的特性，不能够随意的控制机器，导致控制效果大打折扣，也会使得循环液体温度起伏较大造成能源的浪费；而如果使用变频压缩制冷机，则过高的医疗成本也是难以承受的，更不用说升温方面所使用的加热管安全方面得不到保证。本系统中的温控模块计划采用半导体制冷制热装置来实现；半导体制冷制热装置也称为热电制冷制热装置，利用半导体材料的热电效应（珀耳帖效应），给两种不同半导体材料串联成的电偶进行通电，其两端分别会形成冷端和热端，就可以在一个组件上同时实现制冷或制热的目的。由图2.1中半导体组成的P-N结，当电流由N型半导体流向P型半导体时就会从外界吸收能