新型加溫器的研制

范穎

摘 要：介紹一種智能化高性能的輸液加溫裝置，它是以STM32系列單片機為控制核心，通過溫度傳感器的反饋信號，用單片機控制可控硅的觸發狀態，從而控制加溫器的加熱電路，實現加溫器的智能加溫。單片機的溫度檢測電路可以檢測加溫系統的加熱溫度是否適宜，避免溫度過高或過低而對患者產生不利的影響。采用溫度保護器保護加溫器因故障而出現高溫加熱的現象，因此提高了加溫系統的可靠性。該加溫系統可以智能控制加熱器溫度的高低，維持輸液的加溫溫度在恒定范圍內，加溫溫度誤差小于1%，該系統使用方便，且體積小巧方便攜帶，成本低且性能良好，可以廣泛應用于臨床輸液。

關鍵詞：加溫系統；單片機；溫度傳感器

中圖分類號：TH789 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）22-0116-02

Abstract： This paper introduces a kind of intelligent and high performance infusion heating device. It takes STM32 series single chip microcomputer as the control core， and through the feedback signal of temperature sensor， uses the single chip microcomputer to control the trigger state of thyristor， so as to control the heating circuit of the heater. The intelligent heating of the heater is realized. The temperature detection circuit of single chip microcomputer can detect whether the heating temperature of heating system is suitable or not， so as to avoid the adverse effect of too high or too low temperature on the patient. The temperature protector is used to protect the heater from high temperature heating because of the fault， so the reliability of the heating system is improved. The heating system can intelligently control the temperature of heater， keep the heating temperature of infusion in constant range， the temperature error of heating is less than 1%， the system is convenient to use， small and convenient to carry， the cost is low and the performance is good. It can be widely used in clinical infusion.

Keywords： heating system； single chip microcomputer； temperature sensor

1 背景

靜脈輸液是通常治療患者的一種常見輸送藥物方式，傳統靜脈輸液是直接將藥液通過輸液管輸入人體。但藥液通常與人體體溫有一定的溫差，當輸入較多液體時，手臂很快就會感到冰涼，而感覺身體不適，易出現不良反應。這一現象尤其在寒冷季節輸液時更加明顯嚴重。為了解決這一問題，較普遍的方法是用熱水袋裝上熱水放在輸液管道上，但此方法使用效果差，滴速不恒定，加溫高低不易掌握，過高會降低藥物活性，降低藥效效，從而會影響治療效果。因此本文為改善目前這一情況，為此研制出一種智能加溫器，用它將輸入液體快速加熱至接近體溫，并可實時數字顯示加熱管道的溫度。從而改善醫療患者的情況，有助于患者早日康復。

2 加溫器系統組成

加溫器是一種間接式加溫裝置，它的加熱原理是在輸液時，輸液液體流經輸液管道，輸液加熱器通過輸液管道對其進行熱傳導，從而使輸液液體被加熱。加溫器系統由單片機控制系統，加熱系統，顯示模塊，按鍵系統，報警系統等組成。加熱系統通過加熱器件給金屬鋁板加熱，上下金屬鋁板上的凹槽處可安裝輸液管，從而間接給輸液管加熱。顯示系統可以實時顯示當前加熱金屬板的溫度值大小。報警系統可以檢測加熱金屬板上的溫度過高或過低，可以因加溫器給輸液管加溫溫度過高或者沒有及時給輸液管加溫而進行聲光報警（蜂鳴器報警，指示燈閃爍），從而提高加熱器系統的使用安全性。按鍵系統可由人為操作來設置不同功能反饋給單片機，包括調節溫度檔位的加減鍵，華氏溫度和攝氏溫度切換鍵，開關機啟動鍵，從而實現人機互動功能。單片機控制系統則通過按鍵輸入狀態和溫度傳感器采集的反饋信號來控制加溫器是否開始加溫，及加溫的頻率，達到精確控溫的效果從而維持溫度保持恒定范圍，提高加溫系統的穩定性。

3 加溫器硬件組成

硬件設計的基本思路是實用、可靠以及小型化。為此選用了意法半導體公司的STM32F1系列單片機。該單片機內核是Cortex-M3，性能優越，使用非常方便。溫度顯示屏選用用4位8字寬LCD液晶屏，直接與CPU連接，前三位顯示溫度整數數值，第四位則顯示溫度小數值，鍵盤采用五個按鍵，功能鍵包括啟動開機關機、溫度檔位加減、華氏攝氏溫度切換鍵，靜音鍵等。系統功能框圖如圖1所示。

（1）加熱控制保護電路。加熱控制保護電路是由加熱源（即發熱電阻絲），過熱保護器，晶閘管，單片機組成。發熱電阻絲和電源，過熱保護器以及晶閘管組成回路。電源由市電提供，當晶閘管A，B端加上電壓時，A，B端會閉合，從而構成閉合回路，加熱板發熱。又因市電為220V交流電，當晶閘管AB端經過過零電壓時，AB端會斷開，電路會停止加熱。需晶閘管C端由電壓觸發時，AB端才會重新閉合，構成加熱回路。故晶閘管C端和單片機引腳相連，由單片機給晶閘管觸發電壓，從而可由單片機控制加熱電路的運行。電路中的過熱保護器選用45度保護器，將保護器放入加熱板內，當加熱板的溫度在45度以下時，保護器是常閉狀態，故能保證加熱電路的正常運行，當加溫器系統發生故障時，加熱板溫度大于45度時，則過熱保護器會斷開，從而使加熱電路停止加熱。故從而保障了輸液安全，提高了系統安全性。（2）溫度檢測電路。溫度檢測電路是由溫度傳感器，放大電路，單片機構成。溫度傳感器選用熱電偶傳感器，小巧方便，溫度誤差小。將溫度傳感器的探頭放入加熱板內，通過溫度的差異，將采集溫度信號反饋給單片機，經過單片機分析處理，若溫度超過用戶設定檔位的對應溫度范圍上限時，則單片機停止給晶閘管觸發信號，使加熱電路無法加熱，而使溫度有所降低。若溫度低于用戶設定檔位的對應溫度范圍的下限值，則單片機會觸發信號，使加熱電路運行加熱。因此，通過溫度檢測電路，可使加溫器加熱溫度保持恒定，且溫度誤差小于2%。（3）報警電路。報警電路是整個加溫器系統的關鍵電路之一，直接影響到加溫器的使用安全性。報警電路是由單片機，LED燈，LCD顯示屏和蜂鳴器構成，與單片機的引腳相連，直接由單片機控制，從而使得報警電路更加穩定，響應快。當系統設定超過42度為高溫，當加熱板上溫度達到42度時，溫度傳感器將電壓信號傳遞給單片機，經過單片機分析，得出高溫報警信號，從單片機通過脈沖驅動蜂鳴器鳴叫和LED燈快速閃爍，單片機控制LCD顯示屏顯示“EEEE”，從而引起用戶注意，以便及時處理故障。當加溫器無法加溫時，溫度傳感器將低溫信號（低于20度）傳遞給單片機，單片機控制蜂鳴器鳴叫，控制顯示屏顯示“FFFF”字符，提醒用戶及時排除故障，使加溫器能正常加溫。因此，有了報警電路使得加溫器更加智能方便。

4 加溫器軟件組成

加溫器系統軟件設計主要包括加溫控制程序，溫度報警程序，按鍵掃描程序，顯示屏顯示程序。加溫控制程序流程圖如圖2所示。

（1）加溫控制程序。加溫控制程序即控制單片機是否通過脈沖觸發晶閘管使得加溫電路正常運行，加熱板加溫。通過溫度采集子程序采集溫度傳感器反饋的電壓信號，經單片機分析處理，控制加熱電路是否運行及加熱頻率。（2）溫度報警程序。溫度報警程序是通過ADC采集的溫度信號，是否高出或低于程序設定的適宜溫度范圍，經單片機分析處理，通過調用溫度報警程序程序來控制蜂鳴器鳴叫，LED燈閃爍，顯示屏顯示報警字符。（3）按鍵掃描程序。按鍵掃描程序即單片機通過按鍵掃描程序，掃描按鍵引腳的電平，來判斷是否有按鍵按下，共有5個按鍵，包括開機關機按鍵，溫度檔位加鍵，溫度檔位減鍵，華氏攝氏溫度切換按鍵，靜音鍵。（4）顯示屏顯示程序。顯示屏顯示程序是通過ADC采集的溫度信號反饋給單片機，由單片機分析處理，單片機通過顯示程序控制LCD顯示屏，根據信息顯示溫度數據，前三位顯示溫度數值的整數部分，最后一位顯示溫度數值的小數部分。另外，通過算法能夠將華氏溫度切換成攝氏溫度數值，使加溫器更加智能化，提高了用戶體驗。

5 結束語

利用STM32單片機控制的加溫器系統具有成本低、體積小巧，使用方便、功能完善的特點，該裝置具有較高的精度和可靠性，與傳統輸液法比較，通過加溫器，對所輸藥液進行加熱并達到一定的溫度范圍，能有效提高輸液的藥用效率，且不引起藥液變質。降低了重癥患者因輸液溫度過低而對身體不利的安全風險，為患者帶來更多的福利工作效率，在醫院試用表明，該加溫器系統，具有較高的推廣應用價值。可廣泛用于臨床。

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