1、基于半导体控温的冷热敷治疗仪控制系统设计资料基于半导体控温的冷热敷治疗仪控制系统设计Temperature control based on semiconductor of cold fomentation therapy instrument control system design学部（学院）： 机械工程学院 专 业： 测控技术与仪器 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 摘 要冷热敷治疗仪是一种集热敷和冷敷两种物理治疗方法于一体的医疗器械，在各大医院以及临床研究领域有广泛应用。但从目前国内大部分的冷热敷医用器械来看，往往存在着安全可靠性能差
2、，温度控制不够精确，噪声大以及不环保等等缺点。针对这些种种缺点，本文在参考了国内外医用冷热敷设备的基础上，利用本科所学习的一些微机原理，数字传感器技术等等，提出了基于半导体制冷原理的医用冷热敷治疗仪的控制系统设计方案。本系统是基于ST公司生产的STM32F103VET6单片机芯片的控制系统，可分为控制系统部分，负责制冷加热转换的升降温系统部分以及电源部分。控制系统中，采用的是触摸液晶屏实现人机交互，来获取用户所设定的目标温度，同时可以显示由温度传感器所测的实时温度；;升降温系统部分则利用温度传感器所传输的不同信号，使得STM32输出不同占空比的PWM脉冲从而控制半导体制冷模块对循环制冷液的加热
3、或制冷来达到设定目标温度；电源部分则是外接220V市电，经过电压转换模块变成24V，其他各个部分不同的电源电压则是通过不同的电压转换变成相应所需要的电压，3.3V，V，12V等等。同时，本系统中大量采用了ADuM系列磁耦隔离芯片来实现输入信号、主控系统以及输出信号之间的隔离，从而提高了系统的安全性和可靠性。关键词：冷热敷；STM32；半导体制冷Temperature control based on semiconductor of cold fomentation therapy instrument control system designAbstract Cold fomentatio
4、n therapy device is a set of hot and cold in one of two physical therapy medical device .Many hospitals and clinical research has wide application. Most of the domestic medical control blankets have poor security and reliability, low temperature accuracy, unfriendly interface and other shortcomings.
5、 To compensate for these shortcomings, this paper proposes a design of the medical control blanket control system on the basis of embedded technology, digital sensor technology, touch screen technology and intelligent control algorithm.This system is based on the ST companys STM32F103VET6 single chi
6、p control system.It can be divided into the part of the control,heating and cooling systems,and power supply section. In control system, using LCD touch screen human-computer interaction, to get the user the set target temperature. And it can display real-time temperature measured by the temperature
7、 sensor. Heating and cooling systems with different parts of the transmitted signal from the temperature sensor, so that different STM32 output PWM duty cycle pulses to control the semiconductor cooling module for circulating cooling fluid heating or cooling to achieve the set target temperature.Pow
8、er is the external power supply 220V electricity, through the voltage converter module becomes 24V, various other parts of the different supply voltage is turned into the appropriate voltage required by different voltage conversion, 3.3V, 5V, 12V, etc. At the same time, the system uses a lot ADuM se
9、ries magnetic coupling isolation chip to achieve isolation of the input signal, the main control system and the output signals, thereby improving the safety and reliability of the system.Key Words：Cold and hot fomentation; STM32; TEC1 绪论1.1 背景冷热敷治疗仪，即集为患者患处提供冷敷或者热敷于一体的医疗器械。在临床医学中，对患者全身或者局部的物理升温（热敷）或
10、者物理降温（冷敷）是非常普遍的。物理降温较为常见的被应用于神经外科、ICU、神经内科等临床科室的亚低温（2835）治疗。这是由于在一项研究中表面，由于外部温度对脑组织细胞中与能量代谢相关的酶促反应的影响比较明显， 在亚低温状态时酶促反应变慢，其能量代谢能够较正常状态减弱 60%，使得脑组织能更好的耐受血氧不足的状态，这一特点使得亚低温治疗方法在治疗中重型颅脑损伤等方面有着先天优势，大量的临床应用也表明亚低温治疗脑组织损伤患者成功率更高，且尚未发现有严重的并发症发生，具有令人满意的安全性1。物理升温治疗主要应用在医疗手术及康复治疗过程中，临床研究表明，手术中或手术后会有较大的可能出现体温过低的现
11、象，引起如心律失常、呼吸系统损坏、肾功能衰竭等并发症，对于全身麻醉时间较长的手术，需要做好相应的保温或升温措施以保证手术过程中患者的体温正常2。 国内主流的冷热敷仪基本都是使用压缩机制冷方式实现降温过程，利用电热管加热来实现升温过程，然而该控制系统存在诸多弊端：（1）安全性能可靠性能差。国内的相关产品在抗干扰性、功能设计方面仍存在很多问题，比如电磁干扰导致的传感器失灵的故障而导致患者被冻伤或烫伤，功能设计缺陷导致的产品报警功能不完善而存在发生医疗事故的隐患。北京药监局就有2008年医用控温毯引发患者受伤的记录3。 （2）温度控制精度方面不足。由于国外的医用控温毯产品的控制精度往往小于1，且降温
12、速率较快；国内的相关产品的实际控制精度（特别是制冷精度）通常大于1.5。这是因为国内大部分产品使用的是压缩机制冷电热管加热，不仅精度控制方便达不到要求并且还有很多安全隐患，比如电热管加热就有可能发生漏电现象。而国外的产品大多都是采用半导体制冷模块（TEC）实现温度控制，不仅绿色环保无污染，而且噪声小响应速度快，一个半导体制冷模块就能实现升温和降温两个过程，使得设备大大简化。本文所介绍的冷热敷治疗仪控制系统，是以STM32单片机为硬件核心，通过各个温度传感器所传输的信号使得单片机输出不同占空比的PWM脉冲，控制电路利用半导体制冷模块对循环制冷液进行加热制冷等一系列控制最终达到预设的温度值的嵌入式
13、控制系统。相比国内大部分冷热敷治疗仪控制系统来说，该系统通过硬件上的隔离、抗干扰设计保护措施以及报警功能使得该系统安全可靠性能显著提高，并且通过半导体制冷模块来控制温度保证了温度的精度控制要求，最终达到了缩小与国外产品差距、提高医疗效果并且降低了医疗成本，有着较高的社会效益与经济利益。1.2 冷热敷治疗仪的国内外产品现状众所周知，国外的电子技术和控制技术领先国内许多，同样，在冷热敷治疗仪等医用器械上，国外产品的发展也比国内的产品更先进。根据所查资料得知，第一个被大规模应用的医用控温毯是在 1963 年由美国Cincinnati Sub-Zero (CSZ)公司研发的 Blanketrol II
14、（超）低温系统（如图1.1 左图所示），并由最初的只有降温功能，发展为具备降温升温的功能，是世界范围内目前应用最广泛，出口量最多的医用控温产品4 ； 同时代的类似产品还有美国 Baxter公司的 RK 系列产品，美国 GayMar公司的 MTA 系列产品等等；如今在各个医院中使用的医用控温毯产品大部分仍是国外的产品，包括美国CSZ公司的Blanketrol III体温调节系统，美国 Bard Medical Division公司的ARCTIC SUN系列温度控制系统（如图1.1 右图所示），美国 GayMar 公司的MTA-7912（超）低温仪器等。图1.1 国外医用控温仪器然而国内的医用控温
15、设备起步相比国外晚了许多，大部分医院都是使用的国外的设备，国内对于医用控温设备的管理措施也相对薄弱和落后，直到2014年才发表医用控温毯产品注册技术审查指导原则等相关文件，但相关标准仍没有出台，现在主要依靠企业自己制定的产品标准；国内相关的产品有北京恒邦科技开发有限责任公司生产的P&C-AI系列（如图1.2左图所示），吉林日成医用电子有限公司的 RC-2000III 型升降温仪（如图1.2右图所示）等。图1.2 国内医用控温仪器1.3 课题主要工作本课题其核心内容是利用半导体的帕尔帖效应，在基于STM32单片机控制半导体制冷模块进行温度控制的控制系统设计。其中还包括了利用温度传感器实时温度采集
16、并用显示设备显示温度，通过接收到的不同信号输出不同占空比的PWM脉冲控制半导体制冷模块输出功率从而达到预设温度，另外还采用了磁耦隔离芯片技术，大大增加了系统的抗干扰能力，以及蜂鸣报警装置，断电记忆存储能力等。个人的主要工作：（1） 查阅国内外冷热敷治疗仪产品相关资料，了解冷热敷治疗仪发展及其现状，了解冷热敷治疗原理、半导体制冷原理等。（2） 硬件电路设计，其中包括总体方案的确定，主控电路各部分电路设计以及驱动电路部分的电路设计，以及其他模块的电路设计。（3） 部分模块的调试工作。包括液晶显示模块界面调试以及温度传感器部分的软件仿真调试。2 系统总体方案设计2.1 升温/降温方案上文中我们提到，
17、国内的用于医疗的升降温设备除了升温降温分开的设备以外，集升降温于一体的设备往往是通过电热管的加热以及压缩机制冷循环液来实现温度的升降。尽管此类产品降温方面来说有着降温效率高可降温度低等特点，但是其生产成本高，制冷液有毒不环保，工作噪声大等一系列弊端。尤其是电热管加热还存在一系列安全隐患。对于压缩机来说，其结构特点决定了他不能够频繁的开关，使得控制效果表现不佳，这样也造成了该类医疗产品在使用过程中使得循环液温度振荡幅度大，控制精度不够准确等缺点。半导体制冷技术与传统的制冷技术有着根本的区别，它即不用制冷剂，也不用机械设备和管路，只要给半导体制冷器通上直流电，它的冷端就会迅速降温，降温速度快并且容
18、易控制，无噪音和污染，体积小，解决了许多特殊场合下的制冷问题，并能实现对温度的精确控制。本系统的温度升降过程由半导体制冷模块来实现。半导体制冷模块是利用了热电原理中的帕尔帖效应，是由半导体组成的 P-N结，通过两端施加直流电将电能转换成热能的装置。如图 2.1.1所示，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量形成冷端，相反，在下面的接头处，电流是从P型半导体流向 N 型半导体时释放能量形成热端；同样当电源正负极反接时冷热端将调换。使用半导体制冷模块的设备可以同时具有升温和降温两个功能。这样就可以使得本系统结构更为轻便紧凑无运动部件，同时使得系统噪声更小，环保无污染，冷热转换
19、迅速，可靠性高，操作简单等一系列传统制冷方式没有的优点。半导体制冷技术已经被广泛的使用在工业、农业还有国防建设等各个领域。在这里我们是用的是苏州冰雪电子公司生产的型号为FL-200W-24HC 的半导体制冷模块，其工作原理就是利用半导体制冷模块对制冷液进行制冷或制热来控制温度，如图 2.1.2 所示。使用该半导体制冷模块时，控制直流电的方向就可以对其进行加热和制冷间的切换，控制电流的大小就可以来控制其制冷制热量以实现高精度温度控制。图2.1.1 半导体制冷原理图图2.1.2 半导体制冷模块实物图2.2 系统总体结构组成参照国内标准医用控温毯产品注册技术审查指导原则等相关文件（以下简称“标准”）
20、，了解到医用控温毯主要由三部分组成：控制系统、升降温循环、供电电源。控制系统是整个医用控温毯的中心，提供与用户交互的界面，采集各路温度信号、水位信号、电流信号灯，控制升降温循环输出用户设定温度的液体；升降温循环由半导体制冷模块负责制冷或加热循环液体，水泵将循环液体在半导体制冷模块与变温毯之间循环，水箱负责为循环通路补水，变温毯则直接与患者接触以治疗病患处；供电电源将 220V 市电转化为相应的电压为控制系统与升降温循环供电，保证整个系统的正常运行。本课题的“冷热敷治疗仪控制系统”根据“标准”不需要非常高的控制精度等一系列要求，但是在设计中我们可参考“标准”作为指导。系统结构如图2.2所示：图2
21、.2 冷热敷治疗仪结构图2.3 系统总体硬件设计冷热敷治疗仪的控制系统硬件方案框图如下图2.3所示，主要包括主控系统部分和驱动电路部分两部分组成：（1）主控系统部分，是本系统的硬件核心，包括以下几个方面：1中央处理器STM32电路设计，包括上电复位电路、启动方式电路、晶振电路、基准电源电路、报警电路等。2信号采集和处理电路，包括多路温度信号采集电路，水位信号采集电路，电流信号采集电路；并通过相应的隔离措施实现与中央处理器的隔离。3电源电路，包括各个隔离区的电源电路，为系统的各个部分提供相应的电源。4液晶接口电路，实现中央处理器与触摸液晶屏的通讯。5其他电路，包括控制输出电路，实现控制信号的隔离
22、输出；存储电路，实现中央处理器与存储芯片的通讯；报警电路，实现报警提示的功能。（2）驱动电路部分，负责控制系统通过该部分控制升降温循环实现对循环液体的制冷或制热，主要包括以下两个方面：1H 桥模块电路设计，包括 H 桥电路、MOS 管驱动电路、稳压电路的设计，实现 PWM信号控制输出电压的改变。2继电器模块电路设计，连接驱动模块与升降温循环，实现对升降温循环控制的通断，保证冷热敷仪与人体接触部分的安全。图2.3 系统硬件总体方案框图2.4 系统总体程序设计本系统的程序由两部分组成。一部分是STM32单片机对半导体控温模块控制以及各路传感器信号所反馈的信号信息的处理，另外一部分是液晶显示器模块显
23、示与触摸控制部分。其中，对半导体模块的控制部分运用了PWM脉宽他调制的方式进行控制，其中还涉及到PID算法问题。由于学识条件所限，且本课题主要以硬件电路设计为主，故这部分简略介绍。3 主控系统电路设计医用控温毯属于医疗器械分类目录中分类代号为 6858 的医疗冷温、低温产品；电气方面需要满足相应的强制性标准要求，比如 GB 9706.1-2007（医用电气设备第1部分：安全通用要求）、YY/T 0505-2012（医用电气设备 第 1-2 部分：安全通用要求 并列标准：电磁兼容 要求和试验）、YY 0709-2009（医用电气设备 第 1-8 部分：安全通用要求 并列标准：通用要求，医用电气设
24、备和医用电气系统中报警系统的测试和指南（如适用）、YY 0785-2010（临床体温计 连续测量的电子体温计性能要求）、YY0834-2011（医用电气设备 第 2 部分：医用电热毯、电热垫和电热床垫安全专用要求）等。为保证医用控温毯满足上述强制性标准要求，同时实现医用控温毯的各项功能，在控制系统的电路设计中需遵循以下几点原则5 6：（1） 为缩短控制系统的开发周期，在满足系统要求的前提下，应尽量选用具有成熟的技术、广泛的应用、丰富的资源的主控芯片。（2） 在复杂电路的设计过程中，应尽量采用现有的最好是已经被广泛应用的成熟电路，如果有能实现同样功能的集成芯片，则采用集成芯片，并参考其技术文档上
25、的典型应用电路，不仅能减轻设计的工作量，还能使电路的功能更加稳定可靠。（3） 在电路设计时，应充分考虑控制系统的工作环境及其有可能遭受的干扰，并在电路设计的过程中做好相应的应对措施，包括可靠的电源电路、适当的滤波处理、合理的 PCB 走线等。（4） 在电路设计时，应预留一定的接口或测试点以方便系统的调试工作，比如为输入信号、输出信号以及调试信号留有相应的测试点，以供调试或维护时观察相应的信号是否符合要求。（5） 在电路设计时，应充分考虑到以后的拓展与升级，在满足现有系统要求的前提下，为以后可能的拓展或升级需求留有额外的电路与接口。3.1 中央处理器电路设计3.1.1 中央处理器的选择中央处理器
26、作为整个控制系统的核心，负责整个控制系统的信号处理与数据通信，其他硬件电路全部围绕中央处理器而进行设计， 其性能直接影响整个控制系统的功能实现。在选择中央处理器时要结合其性能表现、片内资源、设计成本等因素，此外还有考虑其开发环境、技术支持以及开发周期等。本控制系统的中央处理器采用意法半导体（ST）公司的STM32F103VET6芯片，该芯片采用ARM公司的32位Cortex-M3内核，是 STM32F10x 系列中的增强型系列，内部集成有512KB的闪存以及64KB的静态随机存取存储器，主频最高可达72MHz，且内部集成单周期乘法和硬件除法，有休眠、停止和待机的三种低功耗模式，片内外设极其丰富
27、，包括 3 个 12 位的 A/D 转换器、2 个12 位的 D/A 转换器、11个定时器、支持 13 个通信接口等，且具有很好可靠性和抗干扰能力，并且具有高速数据处理能力，被广泛应用在工业领域、医疗领域、建筑安防领域、家电应用领域、消费类产品领域等7。在STM32单片机中，内部的Cortex-M3内核、Flash、SRAM、DMA、时钟系统等均通过总线矩阵连接，DA转换器、USB、SPI、I 2 C等片内外设连接在APB1总线上，高级定时器、AD转换器GPIO等片内外设则连接在 APB2 总线上。STM32F103VET6芯片的I/O端口包括 PA、PB、PC、PD、PE 共5个16 位的端
28、口，其他外设接口管脚与I/O 端口的管脚功能复用，其中上图中的AF表示功能复用管脚。采用意法半导体（ST）公司的STM32系列芯片进行硬件开发的原因不只因为其丰富的外设和强大的功能，还由于其有着完善、方便的开发环境可为开发人员减少开发周期；意法半导体（ST）公司为开发人员提供了丰富、可靠、免费的STM32固件库，开发者可通过调用该固件库的函数实现对STM32系列芯片的片内外设资源的使用，而不必再访问芯片内部复杂繁多的寄存器，减轻了开发人员的工作量，同时也有利于项目代码的维护；此外，意法半导体（ST）公司以及众多的第三方公司与组织为STM32系列芯片提供了各自开发工具，在意法半导体（ST）官网上
29、有着丰富的开发资料与文档信息，同时国内有大量关于 STM32 系列芯片的书籍，保证了在硬件开发过程中有充足的技术保障。3.1.2 STM32最小系统电路设计最小系统电路是指用最少的元件组成单片机可以工作的系统，主要包括电源电路、晶振电路、复位电路三部分；最小系统电路为中央处理器的工作提供最基本的保障，是整个硬件电路系统最基本最核心的部分。STM32F103VET6 芯片的最小系统电路图如图3.1.2 所示。图3.1.2 STM32最小系统电路图在STM32F103VET6芯片的最小系统电路中，电源电路为STM32F103VET6芯片的VDD（主电源）、VSS（主电源地）、VDDA（模拟电源）、
30、VSSA（模拟电源地）、VREF+（AD参考电压正极）、VREF-（AD 参考电压负极）、VBAT（备份电源）等管脚供电，其中VBAT（备份电源）通过二极管D2与D3可实现在当系统上电工作时由VDD（主电源）提供，当系统断电后，由外接电池提供，其余电源电路在后续章节中有具体说明；晶振电路中接有 8MHz 的高速外部晶振，在芯片内部可通过分频与倍频给CPU与各个片内外设提供时钟频率， 同时接有32.768KHz的低速外部晶振可用来为RTC提供时钟频率；上电复位电路由电阻R37与电容C21实现，并接有按键S1实现手动按键复位。其他电路还包括启动方式电路和 JTAG 接口电路。STM32F103VE
31、T6的启动方式可在 P12 上通过短路帽设置BOOT0与BOOT1管脚的电平来改变，其对应的启动模式如表 3.1.2 所示7。本系统在正常工作时使用用户闪存存储器作为启动空间，即代码从片内 Flash 中启动。表 3.1 STM32F103VET6 启动模式表3.2 温度信号采集电路设计控制系统在控制升降温循环系统工作时，为达到输出用户所设定温度值的循环液体，并保证系统正常运转的目的，控制系统需要采集以下温度信号：（1）实际水温信号，与患者患处进行热交换的循环液体的温度，即循环液体到达变温毯处的温度；此信号是控制系统的目标调节对象，通过采集该信号实现闭环控制，以达到更加精确控制的目的。（2）热
32、端温度信号，半导体制冷模块在制冷时的热端温度，半导体制冷模块在工作时热端温度不能过热（70），否则将导致半导体制冷模块损坏，所以需要监测此处温度以保护模块。此外，为提高控制系统的稳定性与可靠性以及满足相关强制性标准中的电磁兼容性（EMC）与静电放电测试（ESD）的要求；在硬件电路设计中，采取输入信号、主控系统、输出信号之间的相互隔离的措施，保证三者的之间只有信号的传递不能有电流的流动，排除相互之间的噪声与干扰，可大大增强控制系统的稳健性与独立性。此处在介绍温度信号采集电路前需先介绍隔离方案的选择。3.2.1 隔离方案的选择本控制系统中的信号隔离属于数字信号和开关量信号的传输隔离，这类信号的隔离在实际应用中主要有三种类型8：（1） 光电隔离，使用由发光二极管与光敏元件组成的光电耦合器将电信号转化为光信号再转化为电信号以达到信号隔离的效果；光电隔离对外部电磁干扰、内部信号串扰等有较好的屏蔽作用，在早期的电路设计中被广泛采用，但是由于存在传输速度的限制、消耗功率大、发光二极管老化等缺
