一種基于多傳感器的大鼠自動化燙傷實驗及數據采集平臺

靳祖光，金劍，袁威，胡曉燕

1.勝利油田中心醫院 醫學裝備部，山東 東營 257100；2.海軍軍醫大學長海醫院 燒傷外科，上海 200433；3.江蘇張家港匯燃設備有限公司，江蘇 蘇州 215600

引言

對于從事燙傷研究的醫學實驗人員而言，傳統的動物燙傷實驗方式（圖1），大都采用沸水、電熱或火熱的方式來加熱燙頭[1-3]，通過人工操作將其放置在已備皮的大鼠體表，從而實現燙傷。該方法存在許多缺陷，主要表現在3個方面：① 實驗步驟不規范，過程實現較慢，對操作人員存在一定的誤傷隱患；② 對于實驗對象的燙傷溫度、壓力和時間，無法得到精準設定，不能精確的構建燙傷模型（Ⅰ度、淺Ⅱ度、深Ⅱ度燙傷模型等[2]）；③ 無法實時獲取實驗過程中各參量數據，實驗意義不充分。由此，本文根據國家發明專利“用于動物的燒燙傷實驗裝置（201610791887.X）”實現樣機，以解決以上問題，提高實驗效率和意義。

圖1 傳統動物燙傷實驗步驟簡圖

1 燙傷實驗平臺總體方案設計

1.1 平臺結構總體方案

自動化燙傷平臺的外觀結構，見圖2，其開放部分包含溫控燙塊、直線滑軌、壓力控制模塊、大鼠托盤、超聲測距探頭和電阻式觸摸屏。平臺內部包含步進電機及其驅動器、12C5A60S2單片機、開關電源和、多傳感器控制系統及其相關印制電路板。

其中，電阻式觸摸屏的作用是為實驗人員提供多元化的人機交互界面。實驗人員可通過該界面控制燙塊動作，并可輸入實驗所預定的溫度、壓力和時間，精準控制各項實驗參數。同時在燙傷開始后，操作者通過該界面可獲取燙傷過程中有關實驗對象的實時數據和狀態曲線，以供后期科研分析使用。溫控燙塊內部包含DS18B20溫度傳感器和微型電熱管，在內部單片機的控制下，形成閉環反饋控制系統，通過PID算法[4]可使溫度維持在設定范圍內。對于直線滑軌，在非燙傷狀態下，其作用為帶動溫控燙塊垂直平移動作；當燙塊接觸到實驗對象后，直線滑軌啟動施壓模式。在壓力傳感器的實時采集下，同樣形成一套閉環反饋控制系統，通過PID算法可使壓力維持在設定范圍內。

圖2 大鼠自動化燙傷實驗平臺外觀示意圖

1.2 系統硬件總體方案

大鼠自動化燙傷平臺的系統硬件框圖，見圖3。12C5A60S2單片機與觸摸屏和多傳感器控制系統均采用雙向通信方式進行控制。為節省單片機引腳使用空間，本文選用Uart串口方式控制觸摸屏，選用常規IO□與多傳感器控制系統進行通訊。A/D轉換芯片HX711、壓力傳感器及相關電路構成壓力模塊；燙塊、溫度傳感器DS18B20、微型電熱棒、MOS場效應管及相關驅動電路構成溫度模塊；直線滑軌、超聲波測距探頭、步進電機及其驅動器構成傳動模塊。其中，硬件控制系統直接作用于動物實驗對象的兩部分分別為溫控燙頭和壓力傳感器，功能分別為加熱燙傷和采集實時壓力。

在該套硬件方案中，12C5A60S2單片機自帶PWM脈寬輸出引腳[5]，結合MOS場效應管驅動電路[6]，通過輸出TTL電平的方式控制微型電熱管兩端0～24 V電壓，以低電壓控制較高電壓的方式實現燙塊的無極調控加熱。另外，系統引入超聲波測距探頭的目的在于，實時監測燙塊與大鼠托盤的距離，降低儀器自損傷和誤傷操作人員的可能性，為實驗操作提供可靠的安全保證。

2 傳動模塊設計

2.1 直線導軌機械結構

由上文所知，直線導軌為該實驗平臺的主體機械傳動裝置，其結構見圖4。該傳動機構在實驗平臺中的固定方式為豎直放置。考慮到盡可能降低電機所承載的負荷，將57步進電機置于豎直方向的最頂端，即機構所有重力施加在絲桿底端的軸承上，以此方式降低系統動作時的能量消耗，提高機構運轉的穩定性。

圖中，滑塊為該機構所驅動的終端部件。在整體平臺系統中，滑塊的功能為：① 燙傷開始前，帶動燙塊豎直移動；② 燙傷開始后，對實驗對象施加預設壓力。

2.2 電機及驅動器控制系統

綜合考慮電機負載能力和其自身重量，選用57式2相4線步進電機作為直線導軌的動力源。經實驗分析，將燙塊速度控制在5～10 mm/s，選用含32細分的步進電機驅動器最為合適。其具體細分數值可通過撥位開關來調整。

步進電機驅動模塊連線示意圖，見圖5。

圖3 大鼠自動化燙傷實驗平臺系統硬件框圖

圖4 直線導軌結構圖

圖5 步進電機驅動模塊連線示意圖

步進電機單獨受控于驅動器，4線分別按照黑、綠、紅、藍的顏色順連接至A+、A-、B+、B-端。步進電機驅動器采用共陽極接法與12C5A60S2單片機連接，CP+、DIR+和EN+分別連接在單片機5 V+電源公共端上。驅動器本身由開關電源24 V供電。CP-、DIR-和EN-分別接收來自單片機的速度信號、方向信號和使能信號的控制[7-8]。

本系統選用12C5A60S2單片機作為平臺控制核心，自帶兩個PWM功能引腳P1.3和P1.4，預設置PCA-PWM SFR特殊功能寄存器,可以使得PWM信號無需通過定時器模擬編程即可實現調控CP-端電機速度[8]。12C5A60S2的兩個PWM端的初始化程序如下所示：

CCON = 0; //初始化PCA控制寄存器

CL = CH = 0; //復位PCA

CMOD = 0x0C; //初始化PCA時鐘為Fosc/6

CCAPM0 = 0x00; //設置pwm0引腳P1.3為GPIO

CCAPM1 = 0x00; //設置pwm1引腳P1.4為GPIO

CR = 1; //啟動PCA-PWM模式

其中，命名引腳P1.3為pwm0，命名P1.4為pwm1口；定義pwm0為加熱控制端，定義pwm1為步進電機控制端。賦值CCAPM1為0x42可啟動步進電機，設置CMOD的時鐘頻率可以調控步進電機運轉速度。

3 多傳感器控制系統

3.1 溫度模塊選型及控制

溫控燙塊剖面圖（含DS18B20螺紋式溫度傳感器），見圖6。溫度模塊主要集成在溫控燙塊內，選用螺紋式DS18B20溫度傳感器，使其與燙塊間擁有更大的傳熱面積，從而增加傳熱效率和實時準度。DS18B20溫度傳感器含三條引線：VDD接5 V電源；GND接信號地；DQ接單片機控制引腳，單線雙向傳遞信號，輸出為8位二進制數字量信號[10]。因此，單片機控制DS18B20僅需一個IO口，且不需外部電源供電。DS18B20的測量范圍從-55℃到+125℃，誤差控制在0.5℃內，可在1 s內將溫度轉換成數字量，實現燙傷溫度實實時采集[10-11]。

溫度傳感器獲取燙塊內部溫度后，單片機根據現有溫度，通過PID算法計算出當前狀態下對電熱管所施加的最恰當電壓。12C5A60S2單片機可以通過輸出PWM脈寬來對IO口電壓進行無極調控。由于單片機IO口輸出的最高電壓為5 V，而電熱管最高加熱電壓為24 V，所以本系統設計IRF540 MOS管驅動電路置于兩者之間，使得低電壓輸出的PWM信號可以間接驅動電熱管兩端的較高電壓，既保證了系統的時效性，又提高了控制電路安全性。PWMMOS管驅動電路，見圖7。

圖6 溫控燙塊剖面圖（含DS18B20螺紋式溫度傳感器）

圖7 PWM-MOS管驅動電路

如上文所述，該平臺核心12C5A60S2帶有2個PWM功能引腳，其中pwm0被定義為PWM-MOS管驅動電路控制端。系統通過PID溫控算法，結合DS18B20獲取實時溫度tempNow與目標溫度tempSet對比，分別計算出比例、積分、微分控制項，最后計算出適用于當次加熱的PWM占空比dutyPID。其中，占空比最大參數dutyMAX為255，此時加熱頻率最低；占空比最小為0，此時加熱頻率最高。系統PID溫控算法程序如下所示：

void heatRun(int tempNow, int tempSet)

{ int errorNow, dutyPID;

fl oat Pterm, Dterm; //Iterm為全局變量

pwm0_On(); //啟用P1.3端的pwm模式

{errorNow = tempSet - tempNow; //當前溫度與目標溫度差

Pterm = Kp * errorNow; //計算比例控制量

Iterm += Ki * errorNow; //計算積分控制量

dutyCheck(Iterm, dutyMAX); //檢查Iterm值，確保其不會累積超限

Dterm = Kd * (errorNow - errorLast); //計算微分控制量

errorLast = errorNow; //緩存當前溫度差，全局變量

dutyPID = dutyMAX-(Pterm + Iterm + Dterm);

dutyCheck(dutyPID, dutyMAX); //檢查dutyPID值，確保其不會超限

pwm0_DutyCycle((char)(dutyPID)); //占空比改為dutyPID，改變加熱功率

}

else{pwm0_DutyCycle(254);} //保溫狀態

}

3.2 壓力模塊選型及控制

梁式壓力傳感器工作原理圖，見圖8。

圖8 梁式壓力傳感器工作原理圖

自動化燙傷平臺選用雙孔懸臂平行梁應變式壓力傳感器，其特點是：精度高、結構簡單緊湊、抗偏載能力強、固有頻率高，可以滿足燙傷平臺在結構、精度和采集方式上的主要要求。

梁式壓力傳感器內固定有4個應變式電阻，當傳感器受力產生變形時，應變式電阻產生相應的形變，并將其轉化為電阻阻值的變化。值得注意的是，當實驗對象在被施加壓力的同時，燙傷加熱也在共同進行，所以溫度上升也會影響應變式電阻阻值的變化。所以采用4個應變電阻，同處一個溫度場，溫度影響也會兩兩相互抵消。HX711模數轉換電路原理圖，見圖9，4個電阻構成電橋，將外力引起的阻值變化轉為電壓變化，再通過HX711轉為數字量輸入至單片機內。

圖9 HX711模數轉換電路原理圖

HX711是一款專為壓力傳感器而設計的高精度24位A/D轉換器芯片。相比其它A/D芯片，HX711內部集成有穩壓電源和片內時鐘振蕩器，響應速度快，抗干擾性強，滿足燙傷平臺壓力模塊設計需求，同時提高了整機性能和可靠性。如圖9所示，梁式壓力傳感器將壓力模擬信號輸入至HX711后，由PD_SCK和DOUT構成通訊引腳，向單片機輸出數字量數據，并選擇輸入通道和增益。單片機控制HX711的大致時序如下：當數據輸出引腳DOUT為高電平時，表明HX711還未準備好輸出數據，此時串口時鐘輸入信號PD_SCK為低電平；當DOUT從高電平變低電平后，單片機輸入25至27個不等的時鐘脈沖至PD_SCK引腳[12]。其中，第一個時鐘脈沖的上升沿將逐一讀到輸出24位數據的最高位，直至第24個時鐘脈沖完成。另外，DOUT在4個數據輸出周期后才會從高電平變低電平，輸出有效數據[12]。讀取HX711所采集的壓力值的大致程序如下：

unsigned long HX711_Read(void) //讀取HX711，選擇增益128

{unsigned char i; unsigned long count=0; //壓力讀取值

DOUT=1; Delay_us(); PD_SCK=0; //初始化

while(DOUT); //DOUT高電平，等待AD轉換結果

for(i=0;i＜24;i++) //24個脈沖讀取數據

{ PD_SCK=1; //發送一個脈沖

count=count＜＜1; //左移至最高

PD_SCK=0; //降至低電平，完成一個脈沖

if(DOUT) {count++; } } //判斷AD結束后，讀取下一位

PD_SCK=1; count=count^0x800000; //第25個脈沖下降沿來時，轉換數據

Delay_us(); PD_SCK=0; return(count); } //結束脈沖，返回壓力值

3.3 測距模塊選型及控制

相比傳統的限位開關，超聲波測距模塊不只是反饋單點的位置信息，而是采集有效范圍內的距離值。這種反饋使得燙傷塊在移動時具備更加豐富的可控性。其測距其基本原理為：① 發射信號，模塊內的壓電晶片將電信號轉換成高頻振動的機械能，產生聲納壓力波包發射出去；② 接收信號，模塊通過與發射信號相反的過程，接收反射波包并轉換成電信號；③ 計算距離，測取波包的收發占用時間，通過已知的聲速、時間即可計算出距離值。

本平臺選用具有溫度補償功能[13]的SDM-IO型超聲波傳感器，其引腳和實物圖，見圖10。VCC和GND接單片機5 V供電，另兩引腳功能TRIG為波包信號啟動端，為輸入信號；ECHO為計時反饋端，為輸出信號。傳感器工作的時序如下：① 單片機向TRIG端發送一個10 μs以上的低電平以啟動一個測量周期；② TRIG端置為高電平后，傳感器自動發送8個40 kHz的方波，同時單片機啟動內部定時器；③ 超聲波發出后ECHO端輸出高電平，等待ECHO端電平置低信號；④ ECHO端置低后，停止計時，單片機從定時器TH和TL中取出計時值，根據勾股定理計算出障礙物距離[14-15]，相關實現程序如下所示：

圖10 SDM-IO超聲波模塊示意圖

while(!ECHO); //當RX為零時等待

TR0=1; //給TR0賦值1，開啟計數器

while(ECHO); //當RX為1計數并等待

TR0=0; //給TR0賦值0，關閉計數器

time=TH0×256+TL0; //讀取脈寬長度，TH0、TL0各8位，2^8=256，time=TH0×256+TL0

TH0=0; TL0=0; //計數器重新初始化

S=(time×1.7)/100; //距離=(高電平時間×340 m/s)/2，計算結果為cm單位

4 觸摸屏人機界面設計

自動化燙傷平臺可為操作者提供豐富的人機界面，使操作人員可以自由設定實驗參數，并查看實時采集數據，獲取溫度、壓力曲線及機器運行的其它相關狀態。本平臺選用7寸電阻式彩色觸摸屏，使操作人員在佩戴手套的情形下也可以順暢的控制機器。人機界面程序在編譯好后被固化在觸摸屏內置存儲器中，其實際操作照片，見圖11。

圖11 自動化燙傷平臺觸摸屏人機界面

人機界面底部為操作者提供參數設置引導流程，分別為：去重，溫度設置，開始/停止加熱，壓力設置，熱源下降/上升。屏幕左部分顯示機器狀態、實時溫度和壓力曲線。屏幕右端顯示時間、溫度和壓力的預設和當前狀態。人機界面程序可通過串口連接PC進行升級。

5 實驗、數據采集及結果分析

大鼠燙傷實驗步驟簡圖，見圖12。實驗前按照SD大鼠體重5 mL/kg的劑量抽取1%的戊巴比妥鈉溶液，腹腔注射SD大鼠[16]，待15 min左右藥效作用，將已麻醉的大鼠放置在燙傷平臺托盤中央并去皮，分別預設當次實驗所需溫度、壓力和時間值，等待燙塊加熱至目標溫度后，滑軌自動下降直至壓力值達到目標值，燙傷開始，待預設時間倒計至零后燙塊自動上升，當次燙傷實驗結束。

圖12 大鼠燙傷實驗步驟簡圖

實驗平臺壓力設置最小單位為10 g，樣機采用32細分的步進電機，最小步距角約0.056°，且控制與電機動作存在短暫延時，所以由于電機本身條件限制，燙塊下壓位置無法完全達到預設壓力值位置。通過多次實驗總結，筆者完善程序使得在實際壓力達到預設壓力的30 g誤差范圍內時停止施壓，若想獲得更精確的壓力設定可選用定位更加精確的伺服電機。

實際實驗中顯示真實的溫度曲線是隨時間推移而上下波動的，筆者通過10次實驗分別記錄了不同目標溫度下燙塊和大鼠受熱表皮的真實溫度，見表1，可以得出兩個現象：① 實測表皮溫度低于燙塊溫度；② 在目標溫度值較低和較高時，燙塊和表皮的實測溫度誤差均會有所增加。第一個現象由于實際傳熱過程中存在熱量損失而導致，該誤差可以通過軟件設定補償目標溫度的方式而減小。對于第二個現象，當燙塊溫度第一次達到目標溫度后，單片機會發布指令來降低加熱功率使得燙塊進入保溫模式，該功率是以目標溫度的大小為基準通過線性關系計算出來的，由此，較低溫度下誤差較大的原因是由于保溫模式下的加熱功率設定較低而造成的，此誤差也可以通過軟件方式來進行補償[17]；在目標溫度達到100℃以后，保溫模式下計算出的加熱功率即加熱管的最大功率，此時所產生誤差較大的原因是由于加熱管的最大功率偏低而無法維持目標加熱溫度而導致，該誤差可以通過選型時選用電阻較低的加熱管以提高最高加熱功率而降低。

表1 燙塊及表皮溫度實測數據對比表（℃）

6 結束語

本文根據海軍軍醫大學的國家發明專利（“用于動物的燒燙傷實驗裝置”201610791887.X）進行生產實現，該大鼠自動化燙傷的實驗和采集平臺，基于多傳感器控制系統的研制，使得該燙傷實驗相對于傳統的燙傷實驗方式具備：更高的便捷性，更精準的可控性，更豐富的采集接口。根據以上方案，該自動化燙傷平臺現已完成試驗樣機，可供研究燙傷學方向的專業人員作為科研實驗儀器使用。

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