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引言 新生兒的體溫調(diào)節(jié)功能尚不完善,對新生兒特別是極低體重嬰兒進行有效護理的最重要措施之一是保持一個最適宜的環(huán)境[1].現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)大量資料證明,可以配備一個溫暖的環(huán)境,降低直接或間接寒冷應(yīng)激反應(yīng)引起新生兒的發(fā)病率和死亡率,從而有效地保障新生兒的成活率.嬰兒保溫箱能夠為新生兒創(chuàng)造一個空氣潔凈、溫濕度適宜的舒適環(huán)境,從而避免嬰兒受感染,增強其機體抵抗力,保障嬰兒發(fā)育成長[2].傳統(tǒng)的嬰兒保溫箱存在以下3個缺點:1)缺少消毒控制電路;2)缺少尿床監(jiān)測[3];3)單純的PID控制很難滿足性能要求. 針對傳統(tǒng)控制設(shè)備控制精度不高的問題進行了改進,以嬰兒保溫箱的溫濕度控制系統(tǒng)為載體完成數(shù)據(jù)信號的采集和處理,核心采用32位S3C2410A單片機,模擬前端采用S3C2410A本身自帶的10位A/D轉(zhuǎn)換器,并配合LM35集成溫度傳感器和濕度傳感器HS1101,驅(qū)動加熱部分采用目前先進的繼電器調(diào)溫電路,以液晶顯示模塊作為顯示單元,完成對溫濕度信號的采樣,實現(xiàn)對溫濕度的控制,使得本監(jiān)護系統(tǒng)基本實現(xiàn)了高精度和數(shù)字化. 1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 系統(tǒng)中CPU采用Samsung公司的S3C2410A,S3C2410A采用了ARM920T內(nèi)核,0.18 m工藝的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲器單元,支持ARM/Thumb(32/16)雙指令集,采用哈佛結(jié)構(gòu)和5級整數(shù)流水線,而且它擁有內(nèi)置的10位AD,因此系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集部分不需要再額外擴展AD.S3C2410A擁有MMU(內(nèi)存管理單元),可支持Linux等操作系統(tǒng),易于系統(tǒng)功能的擴充與完善.通過提供一系列完整的系統(tǒng)外圍設(shè)備,S3C2410A不僅大大減少了整個系統(tǒng)的成本,消除了為系統(tǒng)配置額外器件的需要,而且S3C2410A的微型、低功耗、高性能的特點也是選用其作為CPU的主要原因. 整個監(jiān)護系統(tǒng)包括:數(shù)據(jù)采集模塊,存儲模塊,通訊模塊,人機接口模塊和驅(qū)動控制模塊.如圖1所示.在數(shù)據(jù)采集模塊中,溫度信號采用2個LM35集成溫度傳感器采集,分別置于箱內(nèi)壁和嬰兒的腹部(臍旁)[4],用于檢測箱內(nèi)溫度和嬰兒皮膚溫度,信號經(jīng)放大器送入S3C2410A進行處理.系統(tǒng)對溫度信號進行檢測與分析,并將溫度實時顯示在LCD上.當(dāng)箱內(nèi)溫度低于設(shè)定溫度時候自動觸發(fā)驅(qū)動加熱裝置進行加熱,而且一旦嬰兒出現(xiàn)超低溫或者超高溫,或者箱內(nèi)溫度出現(xiàn)超高溫時候,系統(tǒng)自動觸發(fā)報警裝置進行報警.濕度信號采用2個HS1101濕度傳感器采集,分別置于箱內(nèi)和嬰兒尿布下方,用于檢測空氣濕度和嬰兒是否尿床,然后將信號送入S3C2410A進行處理.系統(tǒng)對濕度信號進行檢測和分析,將空氣濕度信號實時顯示在LCD上.一旦嬰兒尿床,立即報警;一旦空氣濕度低于設(shè)定濕度,系統(tǒng)立即啟動超聲霧化加濕裝置進行加濕. 系統(tǒng)配有非易失性存儲器,運行時所設(shè)定的參數(shù)停電時仍可以保留.在計算機系統(tǒng)之外,另外設(shè)立一個獨立的超溫監(jiān)控電路,防范當(dāng)單片機系統(tǒng)意外損壞時還有第二重安全保護電路起作用.在空氣過濾器和送風(fēng)裝置之間又增設(shè)一個空氣過濾消毒裝置,通過軟件控制該裝置的消毒時間,可以將進入箱體內(nèi)的空氣進行消毒.系統(tǒng)通過USB接口與計算機進行數(shù)據(jù)傳輸.  
2控制算法 監(jiān)護系統(tǒng)采取溫度、濕度相對獨立控制方式.濕度采取經(jīng)典PID控制算法.嬰兒保溫箱對溫度信號要求進行高精度控制,因此,結(jié)合傳統(tǒng)PID控制器在工作點附近的理想線性特性,及模糊控制無須建立被控對象的數(shù)學(xué)模型,在偏離工作點的區(qū)域可明顯改善控制的動態(tài)性能,對噪聲也有較強的抑制能力,魯棒性較好的特性,溫度采取Fuzzy控制器與PID控制器并行工作的模糊PID策略[5]進行控制. 溫度控制算法采用FUZZY-PID控制,原理如圖2所示,基本思想是結(jié)合PID控制器與模糊控制器的優(yōu)點,采用2者的并聯(lián)方式,大偏差采用模糊控制,小偏差則采用PID控制,既提高了控制精度,又消除了極限環(huán)振蕩,實現(xiàn)了最佳控制,并且這種控制器具有響應(yīng)快,穩(wěn)態(tài)精度高,使用方便的特點. 濕度控制算法采用增量式數(shù)字PID控制.濕度變化是個緩慢的過程,若單純采用PID控制,調(diào)節(jié)時間長,控制效率低.因此,對加濕電路,使用增量式PID控制算法控制霧化發(fā)生器.增量式數(shù)字PID控制算法為: 
式中,u(k)為k時刻的輸入量,u(k-1)為k-1時刻的輸入量;Δu(k)為輸入調(diào)節(jié)量,kP,ki,kd分別為比例系數(shù),積分系數(shù),微分系數(shù),e(k)為當(dāng)前時刻的濕度與濕度設(shè)定值差,e(k-1)為上次采樣時刻的濕度與濕度設(shè)定值差,e(k-2)為上上次之差. 3系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計 系統(tǒng)軟件是在Linux嵌入式操作系統(tǒng)下進行編程實現(xiàn)的,程序采取模塊化設(shè)計[6],包括主程序模塊,發(fā)送中斷服務(wù)程序模塊,接收中斷服務(wù)程序模塊,數(shù)據(jù)采集程序模塊,數(shù)據(jù)處理程序模塊5部分.每個模塊都具有一定的功能,有的模塊還包含一些子模塊,既相互獨立又相互聯(lián)系,低級模塊可以被高級模塊調(diào)用.該系統(tǒng)具有如下特點: (1)將實時箱溫值、膚溫值、設(shè)定值及動態(tài)溫升速率作為基本參數(shù),建立相應(yīng)的溫控數(shù)學(xué)模型,通過相應(yīng)的算法,確定動態(tài)溫控參數(shù)和溫控方式,實現(xiàn)溫控智能化. (2)由軟件以脈寬調(diào)制方式(PWM)對加熱系統(tǒng)實現(xiàn)加熱功率的調(diào)節(jié),減少熱慣性造成的箱溫波動,提高溫控精度. (3)對溫度、濕度采樣進行數(shù)字化濾波,提高數(shù)據(jù)采樣的可行性. (4)對動態(tài)故障實時自我診斷,并把故障識別定位到傳感器、斷電器等關(guān)鍵器件. 4系統(tǒng)的抗干擾性 為了加強系統(tǒng)的穩(wěn)定性,提高其抗干擾能力,在軟件和硬件上都采取了相應(yīng)的措施.外圍電路采用固態(tài)繼電器來控制加熱、加濕和消毒裝置,由于固態(tài)繼電器是以可控硅做輸出的器件,所以避免了大電流信號對系統(tǒng)的干擾.增加了“看門狗”芯片,設(shè)定好復(fù)位時間后它可以在程序“跑飛”的情況下給單片機復(fù)位. 軟件設(shè)計方面,采集溫度數(shù)據(jù)時為了防止偶然的干擾使采集到的信號發(fā)生偏差,采用了數(shù)值濾波的方法.為防止單片機RAM的重要數(shù)據(jù)在受干擾時被沖毀,程序中把相應(yīng)的數(shù)據(jù)做了備份,存入片外的非易失存儲器中,并在系統(tǒng)下次復(fù)位后恢復(fù)數(shù)據(jù). 5實驗結(jié)果及分析 系統(tǒng)經(jīng)過反復(fù)性連續(xù)運行的可靠性試驗,最終確定了控制算法的參數(shù).特別是針對溫度控制而言,當(dāng)系統(tǒng)施加設(shè)定值升溫時,在25~38℃范圍內(nèi)最大動態(tài)誤差小于±1℃,穩(wěn)態(tài)誤差小于±2℃,系統(tǒng)運行狀況良好.典型溫控響應(yīng)曲線如圖3所示,系統(tǒng)穩(wěn)定溫度為37.5℃,可以較為清楚地看到系統(tǒng)在啟動約20 s后,溫度即達到37.5℃的穩(wěn)定狀態(tài).監(jiān)護系統(tǒng)在硬件和軟件方面都對傳統(tǒng)的嬰兒保溫箱做了改進.在系統(tǒng)中增加了尿床監(jiān)測模塊,內(nèi)置消毒裝置等.控制方案更加科學(xué)合理,性能穩(wěn)定,功能完善,成本低廉,實際效果理想. 
摘自：中國計量測控網(wǎng)
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