基于單片機(jī)的醫(yī)療設(shè)備溫濕度實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李勇

（江蘇省宿遷市泗陽醫(yī)院，江蘇宿遷，223700）

0 引言

在醫(yī)療行業(yè)中，溫濕度是非常重要的參數(shù)，它們對于醫(yī)療設(shè)備的性能和穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要[1]。儲存環(huán)境的溫濕度不但直接地影響醫(yī)療設(shè)備的儲存，而且還會影響醫(yī)療設(shè)備的性能和穩(wěn)定性。一些醫(yī)療設(shè)備對溫濕度有著極其敏感的要求，如手術(shù)室內(nèi)的醫(yī)療設(shè)備、藥品儲存設(shè)施、實(shí)驗(yàn)室等。醫(yī)療設(shè)備通常會在運(yùn)行過程中產(chǎn)生一定的熱量，如果無法有效散熱或溫度無法控制在適宜范圍內(nèi)，可能導(dǎo)致設(shè)備故障或降低性能。且一些特定醫(yī)療設(shè)備中使用的電子元器件對于環(huán)境溫度的變化十分敏感，這可能會影響設(shè)備的準(zhǔn)確性和可靠性。例如，傳感器、芯片等組件對于環(huán)境溫度波動有特定的工作要求，在溫度超出一定范圍時可能會引發(fā)測量誤差或功能故障。而許多醫(yī)療設(shè)備會使用電池作為電源，而電池的性能和壽命受環(huán)境溫度的影響較大。較高的溫度會加速電池的自放電速度、降低電池容量以及縮短電池壽命。因此，溫度是醫(yī)療設(shè)備正常運(yùn)行的重要因素之一，對于不同類型的醫(yī)療設(shè)備可能存在不同的溫度影響方面。在設(shè)計(jì)溫濕度實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)時，需要考慮設(shè)備溫度控制，以確保醫(yī)療設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和性能表現(xiàn)。而過高的濕度會導(dǎo)致電子元器件與空氣中的水分反應(yīng)，從而引起腐蝕。這可能會損壞電子元器件的金屬連接、焊點(diǎn)或其他關(guān)鍵部件，導(dǎo)致設(shè)備的性能下降甚至失效。特別是在長時間暴露于高濕環(huán)境中的設(shè)備，腐蝕問題更加嚴(yán)重。且在高濕度環(huán)境下，電子設(shè)備的絕緣性能可能會受到影響，導(dǎo)致導(dǎo)體之間的電氣絕緣降低。這可能引起漏電、短路或其他電氣故障，對設(shè)備的工作穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生危害。絕緣性能的降低還會增加設(shè)備故障的風(fēng)險，并可能對患者的安全構(gòu)成威脅。同時過高的濕度還可能導(dǎo)致電路中出現(xiàn)短路現(xiàn)象，例如由于水分進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部引起的導(dǎo)電路徑形成。這可能導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作，甚至引起設(shè)備故障。短路還可能產(chǎn)生過電流和過功率現(xiàn)象，進(jìn)一步危及設(shè)備的電氣部件。因此，在設(shè)計(jì)醫(yī)療設(shè)備溫濕度實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)時，保持適宜的濕度水平對于確保設(shè)備的正常運(yùn)行和長期穩(wěn)定性非常重要。

因此，綜上描述，如果溫濕度超出規(guī)定范圍，可能導(dǎo)致儲存藥品失效、實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確甚至設(shè)備損壞。所以，建立一個溫濕度實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)對保障醫(yī)療設(shè)備的正常運(yùn)行和患者的安全至關(guān)重要。通過實(shí)時監(jiān)測醫(yī)療設(shè)備的溫濕度變化，并及時采取措施來調(diào)節(jié)環(huán)境條件，以提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。通過實(shí)時監(jiān)測溫濕度并及時進(jìn)行調(diào)整，可以保證設(shè)備在合適的環(huán)境中工作，從而提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和工作質(zhì)量。此外，溫濕度的變化可能對患者的安全產(chǎn)生負(fù)面影響，如藥品效力下降導(dǎo)致治療效果不佳、手術(shù)室內(nèi)設(shè)備故障引發(fā)意外等。建立溫濕度實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)可以及時發(fā)現(xiàn)并解決問題，提升患者的安全和醫(yī)療質(zhì)量。且通過實(shí)時監(jiān)測溫濕度并精確控制環(huán)境條件，在合適的范圍內(nèi)維持醫(yī)療設(shè)備的運(yùn)行，可以避免過度能耗和資源浪費(fèi)，達(dá)到能源節(jié)約和可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。綜上所述，設(shè)計(jì)一個醫(yī)療設(shè)備溫濕度實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)具有重要的研究意義，因此，相關(guān)學(xué)者對此展開了研究，并取得了一定的研究成果。郭曉瑩等人[2]設(shè)計(jì)了基于S7-1200PLC與組態(tài)王的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，但該系統(tǒng)響應(yīng)時間較長，耽誤采取調(diào)節(jié)措施的時機(jī)。為此，提出基于單片機(jī)的醫(yī)療設(shè)備溫濕度實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采用AT89S51 單片機(jī)作為核心，通過SHT11 傳感器采集溫濕度數(shù)據(jù)。利用RS-485 串行通信接收控制命令，并傳輸給上位機(jī)處理。當(dāng)采集得到的數(shù)值超過限定值時，便會觸發(fā)預(yù)警。通過這樣的設(shè)計(jì)，可以同時實(shí)現(xiàn)控制功能的全面性與實(shí)時性。

圖1 智能監(jiān)控點(diǎn)原理圖

1.1.1 單片機(jī)

AT89S51 單片機(jī)內(nèi)置可編程只讀程序存儲器（Flash），可有效確保程序的可靠性。工作電壓范圍為4.0～5.5V，頻率范圍為0～33Hz，可支持全靜態(tài)工作模式，且可通過在線編程。其AT89S51 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 AT89S51 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3 SHT11 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

AT89S51 兼容標(biāo)準(zhǔn)的8051 指 令CPU 系統(tǒng)和40 列 引腳布局，具有三級程序加密鎖，可確保程序的安全性。

1.1.2 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

AT89S51 提供了上電自動復(fù)位，當(dāng)系統(tǒng)供電時，AT89S51 會自動進(jìn)行一次復(fù)位操作。通過復(fù)位，AT89S51能夠確保其正常運(yùn)行并從初始狀態(tài)開始工作。這為開發(fā)人員提供了靈活性和可靠性，使他們能夠控制和管理單片機(jī)的啟動過程。

上電復(fù)位電路由一個電阻器和一個電容器串聯(lián)連接，能夠確保單片機(jī)在供電時進(jìn)行正確的復(fù)位。通過調(diào)整電阻和電容的數(shù)值，即RC 的大小，可以控制復(fù)位脈沖的持續(xù)時間，確保單片機(jī)能夠在規(guī)定的時間內(nèi)完成復(fù)位操作。具體是在上電過程中，當(dāng)系統(tǒng)供電開始時，電容器會逐漸充電，當(dāng)超過設(shè)定的閾值時，會觸發(fā)復(fù)位信號，導(dǎo)致CPU 和系統(tǒng)的各個部件被強(qiáng)制置于初始狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位。這樣做可以確保系統(tǒng)在出現(xiàn)異常或錯誤情況下能夠重新開始運(yùn)行，并恢復(fù)到可預(yù)測和可控的狀態(tài)。通過使用電容器閾值檢測和復(fù)位電路，可以有效地管理系統(tǒng)的復(fù)位操作。為了滿足復(fù)位電路的時間要求，需要保證電容充電時間t=RC>2M，其中M 為機(jī)器周期。

1.1.3 RS-485 串行通訊

RS-485 常用于上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信，具有多節(jié)點(diǎn)通信能力、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。在該串行通信中，下位機(jī)作為接收方接收來自上位機(jī)的不同指令來執(zhí)行相應(yīng)的程序，實(shí)現(xiàn)所需的功能。RS-485 通信采用了差分信號傳輸方式，通過正極與負(fù)極兩個導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。為了使計(jì)算機(jī)與AT89S51 實(shí)現(xiàn)通信，通常會使用RS-232 轉(zhuǎn)換器以及MAX485 芯 片。RS-232 轉(zhuǎn)換器 將RS-485 信號轉(zhuǎn)換為RS-232 信號，以便與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接。MAX485 芯片可轉(zhuǎn)換和驅(qū)動信號，實(shí)現(xiàn)通信。該串行通信采用的是半雙工通信方式，即每次只能進(jìn)行發(fā)送或接收操作。單片機(jī)和計(jì)算機(jī)通過RS-485 通信同時進(jìn)行發(fā)送和接收操作可能會引發(fā)沖突，因此采用了半雙工通信來避免沖突問題。在電源供電方面，+5V 被用作通信電源，額定電流值為300μA。這種低功耗的設(shè)計(jì)使得通信過程中能夠?qū)崿F(xiàn)高效的能源利用。

1.1.4 溫濕度傳感器選擇

SHT11 是一款采用復(fù)合傳感器技術(shù)的溫濕度檢測模塊，能夠提供高精度的濕度和溫度測量。SHT11 的濕度分辨率為12 位，即可將濕度的范圍（0～100%RH）分成4096 個等份，從而獲得更準(zhǔn)確的濕度值。它還具有可靠的濕度測量誤差控制，在正常工作條件下，濕度測量誤差約為±3%RH。這意味著在設(shè)備的濕度變化范圍內(nèi)，SHT11能夠提供準(zhǔn)確的濕度測量結(jié)果。SHT11 的溫度分辨率為14位，即可以將溫度范圍（-40℃～123.8℃）分成16384 個等份。它能夠以非常小的步進(jìn)值來檢測和輸出溫度值，使溫度的測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。在正常工作條件下，溫度測量誤差約為±0.4℃，這意味著它能夠提供高精度的溫度測量。同時，SHT11 可自動校準(zhǔn)，無需進(jìn)行額外的校準(zhǔn)步驟，就能夠獲得準(zhǔn)確的溫濕度測量結(jié)果。這種自動校準(zhǔn)的特性使得SHT11 具有完全的互換性，即它可以方便地替代其他具有相同技術(shù)規(guī)格的溫濕度傳感器。

在溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)中，為了獲取相對濕度和溫度的具體數(shù)值，通常會使用溫度傳感器和濕度傳感器來產(chǎn)生相應(yīng)的模擬信號。生成的溫度和濕度的模擬信號經(jīng)過放大電路，可以增強(qiáng)信號的幅度和減小誤差。再經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。在此過程中，還可能進(jìn)行一些校準(zhǔn)和糾錯操作，以確保轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性。轉(zhuǎn)換后的溫濕度數(shù)據(jù)可發(fā)送給微控制器。由微控制器可進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算、分析和顯示。在處理過程中，可能需要進(jìn)行一些補(bǔ)償操作，例如修正溫度傳感器的非線性特性或糾正濕度傳感器的漂移等。通過這些操作，可以獲得更準(zhǔn)確和可靠的相對濕度和溫度數(shù)據(jù)。

在該系統(tǒng)中，通過DATA 和SCK 引腳可實(shí)現(xiàn)AT89S51單片機(jī)和SHT11 傳感器之間的通信，其連接電路如圖4 所示。

圖4 SHT11 與單片機(jī)連接電路

在發(fā)送數(shù)據(jù)時，將數(shù)據(jù)從AT89S51 的輸出口傳輸?shù)絊HT11 的DATA 引腳上；而在接收數(shù)據(jù)時，將來自SHT11的數(shù)據(jù)從DATA 引腳引導(dǎo)到AT89S51 的輸入口進(jìn)行處理。通過這種串行通信方式，AT89S51 可以與SHT11 傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并獲取所需的溫度和濕度數(shù)據(jù)。通過模擬通信協(xié)議的時序信號，實(shí)現(xiàn)了AT89S51 與SHT11 之間的有效通信。

■1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的醫(yī)療設(shè)備溫濕度實(shí)時監(jiān)測，軟件部分通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)PID 控制算法[4]。PID 控制算法根據(jù)系統(tǒng)的誤差、誤差的積分和誤差變化率計(jì)算出監(jiān)測信號，并將該信號發(fā)送給單片機(jī)的輸出接口，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測[5]。

1.2.1 適應(yīng)度函數(shù)設(shè)計(jì)

PID 控制器的控制品質(zhì)往往從以下幾個方面考慮，超調(diào)量的多少，系統(tǒng)是否穩(wěn)定、調(diào)節(jié)所用時間等。因此，適應(yīng)度函數(shù)也是圍繞PID 控制器控制品質(zhì)來進(jìn)行選取，即選用系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的積分作為目標(biāo)函數(shù)，并加入控制輸出的絕對值，且在函數(shù)分母中加入時間參數(shù)，以為了減小誤差帶來的干擾，因此，適應(yīng)度函數(shù)設(shè)計(jì)為：

在公式(1)中，e(t)是系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，u(t)為PID 控制器輸出，t為系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)誤差所用時間，w1、w2、w3為各個參數(shù)的權(quán)值。

1.2.2 基于灰狼優(yōu)化算法整定PID 控制器參數(shù)

PID 控制器由偏差比例、積分因子和微分因子結(jié)合來控制系統(tǒng)的單片機(jī)，以實(shí)現(xiàn)醫(yī)療設(shè)備溫濕度實(shí)時監(jiān)測。為達(dá)到可靠的醫(yī)療設(shè)備溫濕度實(shí)時監(jiān)測效果，將采用灰狼優(yōu)化算法對參數(shù)進(jìn)行整定，其整體結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示。

圖5 調(diào)整PID 控制器結(jié)構(gòu)圖

在到達(dá)設(shè)定時間后將溫濕度差規(guī)定值與反饋值的誤差發(fā)送給灰狼優(yōu)化算法整定各參數(shù)，并反饋給PID 控制器，由PID 控制器將重新計(jì)算監(jiān)測信號，并輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，來監(jiān)測醫(yī)療設(shè)備溫濕度是否達(dá)到設(shè)定值，以實(shí)現(xiàn)醫(yī)療設(shè)備溫濕度實(shí)時監(jiān)測。其具體地實(shí)現(xiàn)過程描述如下：

步驟1：初始化參數(shù)；

步驟2：確定PID 控制器的Kp、Ki、三個參數(shù)的變化范圍；

步驟3：計(jì)算所有灰狼的適應(yīng)度值，并選取最優(yōu)值；

步驟4：進(jìn)行適應(yīng)度分析，記錄下灰狼的最優(yōu)位置X(t+1)；

式中，l為控制步長權(quán)重；Levi(?)為隨機(jī)搜索路徑。

步驟5：利用上述式(1)對每個粒子進(jìn)行適應(yīng)度評價，并引用貪婪選擇策略來比較更新后位置結(jié)果與之前位置結(jié)果的適應(yīng)度值，保留適應(yīng)度值更優(yōu)的解；

其中，Xnew(t)為最新更新位置結(jié)果；f(Xnew(t))為Xnew(t)的適應(yīng)度值，f(X(t))為上一位置結(jié)果的適應(yīng)度值。

步驟6：當(dāng)達(dá)到最大迭代次數(shù)，則停止更新，輸出最優(yōu)解；否則返回第4 步。

由此，基于上述步驟，實(shí)現(xiàn)對PID 控制器參數(shù)整定，將整定后的參數(shù)結(jié)果反饋給PID 控制器，根據(jù)反饋的參數(shù)值，PID 控制器將重新計(jì)算控制信號，來監(jiān)測醫(yī)療設(shè)備溫濕度是否達(dá)到設(shè)定值，以實(shí)現(xiàn)醫(yī)療設(shè)備溫濕度實(shí)時監(jiān)測。

2 實(shí)驗(yàn)測試

Proteus 仿真軟件是一種 EDA 軟件工具，具有單片機(jī)及外圍電路元器件的仿真功能，Proteus 在單片機(jī)仿真領(lǐng)域目前是最好的。它支持包括51 系列單片機(jī)在內(nèi)的絕大多數(shù)處理器模型。因此本文使用 Proteus v7.8 SP2 軟件工具對所設(shè)計(jì)的醫(yī)療設(shè)備溫濕度實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行仿真測試。在本次仿真中，為了能夠及時地采集到人為改變的輸入溫濕度數(shù)據(jù)，因此對溫濕度的采樣周期設(shè)定為2ms，在實(shí)際使用中，考慮到溫濕度參數(shù)具有大時滯性，不會發(fā)生忽高忽低的情況，可將采樣周期調(diào)整到2min。其測試相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 參數(shù)設(shè)置

在上述設(shè)置的基礎(chǔ)上，將文獻(xiàn)[2]中的系統(tǒng)作為對比系統(tǒng)，選取監(jiān)測誤差和監(jiān)測效率作為測試指標(biāo)，與所設(shè)計(jì)系統(tǒng)展開對比測試，實(shí)現(xiàn)對所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性驗(yàn)證。首先隨兩個系統(tǒng)的監(jiān)測誤差進(jìn)行測試，其誤差越小，說明其監(jiān)測準(zhǔn)確性越高，測其測試結(jié)果如表2 所示。

表2 監(jiān)測誤差結(jié)果對比

根據(jù)表2 所得結(jié)果可知，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)對醫(yī)療設(shè)備溫度實(shí)時監(jiān)測誤差始終維持在0.4℃以下，其濕度監(jiān)測誤差始終維持在0.4%RH 以下。而文獻(xiàn)[2]中的系統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備溫度實(shí)時監(jiān)測誤差結(jié)果均在4 以上。由此說明，采用所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行醫(yī)療設(shè)備溫度實(shí)時監(jiān)測，其監(jiān)測誤差較小，具有較高的監(jiān)測準(zhǔn)確性。

接下來，在上述測試的基礎(chǔ)上，展開所設(shè)計(jì)系統(tǒng)和文獻(xiàn)[2]中系統(tǒng)的監(jiān)測效率測試，該測試用控制耗時進(jìn)行評估，耗時越短，其控制效率越高。則測試結(jié)果如表3 所示。

表3 控制耗時結(jié)果對比

根據(jù)表3 所得結(jié)果可知，隨著設(shè)備數(shù)量的增加，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)對醫(yī)療設(shè)備溫濕度實(shí)時監(jiān)測耗時始終維持在3s 以下，其耗時較短。而文獻(xiàn)[2]中的系統(tǒng)的醫(yī)療設(shè)備溫濕度實(shí)時監(jiān)測耗時結(jié)果，始終高于所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的監(jiān)測耗時。由此說明，采用所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行醫(yī)療設(shè)備溫濕度實(shí)時監(jiān)測，具有較高的監(jiān)測效果。

3 結(jié)論

為了提高醫(yī)療設(shè)備溫濕度實(shí)時監(jiān)測準(zhǔn)確性，提出基于單片機(jī)的醫(yī)療設(shè)備溫濕度實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。將AT89S51 單片機(jī)為核心，對系統(tǒng)硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其中包括智能監(jiān)控點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、復(fù)位電路設(shè)計(jì)、RS-485 串行通訊設(shè)計(jì)、溫濕度傳感器選擇四部分。然后，系統(tǒng)軟件部分采用PID 控制器設(shè)計(jì)，并采用灰狼優(yōu)化算法尋優(yōu)參數(shù)，基于此PID 控制器輸出信號給單片機(jī)，來監(jiān)測醫(yī)療設(shè)備溫濕度是否達(dá)到設(shè)定值，以實(shí)現(xiàn)醫(yī)療設(shè)備溫濕度實(shí)時監(jiān)測。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有較低的監(jiān)測誤差，且可有效縮短監(jiān)測耗時，具有可靠性。