引言

新生儿的体温调节功能尚不完善,对新生儿特别是极低体重婴儿进行有效护理的最重要措施之一是保持一个最适宜的环境[1].现代生物医学大量资料证明,可以配备一个温暖的环境,降低直接或间接寒冷应激反应引起新生儿的发病率和死亡率,从而有效地保障新生儿的成活率.婴儿保温箱能够为新生儿创造一个空气洁净、温湿度适宜的舒适环境,从而避免婴儿受感染,增强其机体抵抗力,保障婴儿发育成长[2].传统的婴儿保温箱存在以下3个缺点:1)缺少消毒控制电路;2)缺少尿床监测[3];3)单纯的PID控制很难满足性能要求.

针对传统控制设备控制精度不高的问题进行了改进,以婴儿保温箱的温湿度控制系统为载体完成数据信号的采集和处理,核心采用32位S3C2410A单片机,模拟前端采用S3C2410A本身自带的10位A/D转换器,并配合LM35集成温度传感器和湿度传感器HS1101,驱动加热部分采用目前先进的继电器调温电路,以液晶显示模块作为显示单元,完成对温湿度信号的采样,实现对温湿度的控制,使得本监护系统基本实现了高精度和数字化.

1系统硬件结构设计

系统中CPU采用Samsung公司的S3C2410A,S3C2410A采用了ARM920T内核,0.18 m工艺的CMOS标准宏单元和存储器单元,支持ARM/Thumb(32/16)双指令集,采用哈佛结构和5级整数流水线,而且它拥有内置的10位AD,因此系统在数据采集部分不需要再额外扩展AD.S3C2410A拥有MMU(内存管理单元),可支持Linux等操作系统,易于系统功能的扩充与完善.通过提供一系列完整的系统外围设备,S3C2410A不仅大大减少了整个系统的成本,消除了为系统配置额外器件的需要,而且S3C2410A的微型、低功耗、高性能的特点也是选用其作为CPU的主要原因.

整个监护系统包括:数据采集模块,存储模块,通讯模块,人机接口模块和驱动控制模块.如图1所示.在数据采集模块中,温度信号采用2个LM35集成温度传感器采集,分别置于箱内壁和婴儿的腹部(脐旁)[4],用于检测箱内温度和婴儿皮肤温度,信号经放大器送入S3C2410A进行处理.系统对温度信号进行检测与分析,并将温度实时显示在LCD上.当箱内温度低于设定温度时候自动触发驱动加热装置进行加热,而且一旦婴儿出现超低温或者超高温,或者箱内温度出现超高温时候,系统自动触发报警装置进行报警.湿度信号采用2个HS1101湿度传感器采集,分别置于箱内和婴儿尿布下方,用于检测空气湿度和婴儿是否尿床,然后将信号送入S3C2410A进行处理.系统对湿度信号进行检测和分析,将空气湿度信号实时显示在LCD上.一旦婴儿尿床,立即报警;一旦空气湿度低于设定湿度,系统立即启动超声雾化加湿装置进行加湿.

系统配有非易失性存储器,运行时所设定的参数停电时仍可以保留.在计算机系统之外,另外设立一个独立的超温监控电路,防范当单片机系统意外损坏时还有第二重安全保护电路起作用.在空气过滤器和送风装置之间又增设一个空气过滤消毒装置,通过软件控制该装置的消毒时间,可以将进入箱体内的空气进行消毒.系统通过USB接口与计算机进行数据传输.

2控制算法

监护系统采取温度、湿度相对独立控制方式.湿度采取经典PID控制算法.婴儿保温箱对温度信号要求进行高精度控制,因此,结合传统PID控制器在工作点附近的理想线性特性,及模糊控制无须建立被控对象的数学模型,在偏离工作点的区域可明显改善控制的动态性能,对噪声也有较强的抑制能力,鲁棒性较好的特性,温度采取Fuzzy控制器与PID控制器并行工作的模糊PID策略[5]进行控制.

温度控制算法采用FUZZY-PID控制,原理如图2所示,基本思想是结合PID控制器与模糊控制器的优点,采用2者的并联方式,大偏差采用模糊控制,小偏差则采用PID控制,既提高了控制精度,又消除了极限环振荡,实现了最佳控制,并且这种控制器具有响应快,稳态精度高,使用方便的特点.

湿度控制算法采用增量式数字PID控制.湿度变化是个缓慢的过程,若单纯采用PID控制,调节时间长,控制效率低.因此,对加湿电路,使用增量式PID控制算法控制雾化发生器.增量式数字PID控制算法为:

式中,u(k)为k时刻的输入量,u(k-1)为k-1时刻的输入量;Δu(k)为输入调节量,kP,ki,kd分别为比例系数,积分系数,微分系数,e(k)为当前时刻的湿度与湿度设定值差,e(k-1)为上次采样时刻的湿度与湿度设定值差,e(k-2)为上上次之差.

3系统软件结构设计

系统软件是在Linux嵌入式操作系统下进行编程实现的,程序采取模块化设计[6],包括主程序模块,发送中断服务程序模块,接收中断服务程序模块,数据采集程序模块,数据处理程序模块5部分.每个模块都具有一定的功能,有的模块还包含一些子模块,既相互独立又相互联系,低级模块可以被高级模块调用.该系统具有如下特点:

(1)将实时箱温值、肤温值、设定值及动态温升速率作为基本参数,建立相应的温控数学模型,通过相应的算法,确定动态温控参数和温控方式,实现温控智能化.

(2)由软件以脉宽调制方式(PWM)对加热系统实现加热功率的调节,减少热惯性造成的箱温波动,提高温控精度.

(3)对温度、湿度采样进行数字化滤波,提高数据采样的可行性.

(4)对动态故障实时自我诊断,并把故障识别定位到传感器、断电器等关键器件.

4系统的抗干扰性

为了加强系统的稳定性,提高其抗干扰能力,在软件和硬件上都采取了相应的措施.外围电路采用固态继电器来控制加热、加湿和消毒装置,由于固态继电器是以可控硅做输出的器件,所以避免了大电流信号对系统的干扰.增加了“看门狗”芯片,设定好复位时间后它可以在程序“跑飞”的情况下给单片机复位.

软件设计方面,采集温度数据时为了防止偶然的干扰使采集到的信号发生偏差,采用了数值滤波的方法.为防止单片机RAM的重要数据在受干扰时被冲毁,程序中把相应的数据做了备份,存入片外的非易失存储器中,并在系统下次复位后恢复数据.

5实验结果及分析

系统经过反复性连续运行的可靠性试验,最终确定了控制算法的参数.特别是针对温度控制而言,当系统施加设定值升温时,在25~38℃范围内最大动态误差小于±1℃,稳态误差小于±2℃,系统运行状况良好.典型温控响应曲线如图3所示,系统稳定温度为37.5℃,可以较为清楚地看到系统在启动约20 s后,温度即达到37.5℃的稳定状态.监护系统在硬件和软件方面都对传统的婴儿保温箱做了改进.在系统中增加了尿床监测模块,内置消毒装置等.控制方案更加科学合理,性能稳定,功能完善,成本低廉,实际效果理想.

摘自：中国计量测控网