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- UID
- 1029342
- 性别
- 男
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| 图4 气体温度及流量控制电路气体温度控制是通过pid算法得到控制量，然后将控制量送入arm自带的pwm计数器中，从而产生相应占空比的pwm波，然后再由pwm波控制晶闸管的导通时间，来间接的调节电加热丝的加热时间，从而改变其加热功率。由于此系统的气体具有流动性，所以对测量温度的传感器要求比较高，如能够实现高精度、快速测量等。因此，选择ds18b20单总线智能型温度传感器，它具有测温精度高、转换时间短、分辨率可设置等特点，测温范围可达到-55℃～+125℃，分辨率为0.0625℃，可以在同一条总线上挂载多个传感器。除此之外，ds18b20还可以根据用户的实际情况设定温度的上下限。气体流量控制的控制原理与气体加热控制端类似，它是根据人体生理热换系数、环境温度、以及实时核心温度和核心温度的差值，决定流量的大小。气体流量控制中的鼓风机与气体加热设备是连接工作：在系统启动时，鼓风机先工作；系统停机时，加热丝先于鼓风机停止工作。为确保整个系统处于正常工作状态，还设计有温度超限报警电路。控制电路主要由零点检测部分和交流电加热部分构成。过零检测电路主要是检测过零触发信号，实现双向晶闸管的过零触发，从而使加热丝的功率可控制，其电路结构如图5所示。交流电加热部分主要采用晶闸管bat12作为控制元件，不同时间段内调制波的占空比pwm不同，晶闸管的导通时间随之发生变化。为了保证整个系统的安全，在强电和弱电控制之间设置了光耦隔离。由于环境温度、病人体质、皮肤紧密程度等因素的影响，使得人体热换系数不尽相同，所以在决定输出气体温度的同时，还要根据实际情况适当地调节输出气体的流量。气体的瞬时流量使用涡街流量计来检测。系统软件设计主控程序及控制显示设计本设计选用arm9 2440嵌入式处理器作为控制核心，采用wince嵌入式实时操作系统作为软件控制平台。在操作系统的基础上，使用嵌入式开发工具(evc)编写设备驱动来控制外部设备，如：arm的存储器、a/d、i/o口等。通过arm9处理平台的外围电路和下位机的接口电路，实现对这些软硬件、实时变量、全局变量及操作系统的初始化和实时控制。本系统选用带触摸屏的tft真彩lcd作为显示部件。首先，在wince操作系统的基础上设计出系统的基本显示界面、温度曲线绘制界面、以及控制界面或控制按钮；然后，结合触摸屏的电阻网络技术、a/d转换等技术，检测有外力作用时外力接触点的电压数值，再通过坐标计算程序计算出不同电压数值所对应的外力接触点的坐标。比较lcd显示屏上的控制界面或控制按钮和程序算法计算得出的外力接触点，如果外力接触点的相对位置落在显示图形的控制界面或控制按钮内，则可根据控制按键的类型执行相应的功能操作。控制算法要快速、高效的输出一定温度的气体，就需要优化气体的加热梯度；同样，要比较快速的稳定人体的表面温度，也需要适当的气体流量。在气体温度测控系统中使用pid算法。首先将ds18b20采集的温度与由表面温度估算的核心温度进行比较，把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后得到相应的控制值，将控制量送给控制系统进行相应的控制，不停地进行上述工作，从而达到自动调节的目的。增量式pid的算法如下：式中：kp为比例系数；t 为采样周期； e(n)，e(n-1)，e(n-2)分别为当前时刻、前一时刻、再前一时刻的实时采样值与设定值的差值；ti为积分时间常数；td为微分时间常数。增量式pid的优点在于只需保持前三个时刻的差值信号，同时输出控制量的初始设定值不必准确，便可以快速地进入稳态。气体流量测控原理与气体温度测控原理类似，不同之处在于，其控制量由涡街流量计检测得到。采用pwm算法控制加热和气流输送，以降低噪声及制作成本[11]。pwm控制算法，是在气体加热或输送控制周期ts内，选择导通时间的比例ton、以及相应的关断时间toff(其中ts=ton+toff)，并且通过程序控制使得ton在整个控制周期中的比率(ton/ts)可调，以此来控制气体加热的加热时间和气体输送动力的大小。图5 过零检测电路结果分析为了验证设计结果的可行性，在arm9 2440开发平台的基础上，结合自行设计的核心模块，对整体方案进行了仿真和试验对比分析。人体的表面温度与周围的的环境温度有关。在相对较热的环境下，接近核心温度的区域较大，几乎是除足、踝、手之外的所有位置；但是在较冷的环境下，接近核心温度的区域只有头、颈和胸腹部位。由此可见，当环境温度不稳定时，人体的头、颈部腋下、上腹部、侧腰等部位的温度基本稳定且接近于核心温度。所以，选用颈部、腋下、腹部等部位作为比较样本，以医用体温计的测量结果作为实际值，以pn节温度检测传感器的测量值作为待校核样本（每个位置测量5次），实验数据如表1所示。由表中可以看出，此种pn节温度检测法，与通用的温度计测量的测量精度基本接近且更加稳定。表1 人体多个位置温度样本与实际温度值的对比(环境温度为17℃)结论在arm9 2440开发平台的基础上，设计出了人体表面温度控制系统的基本框架，设计了气体温度检测、人体表面温度检测、气体加热、气体流量控制等模块。从核心模块的仿真和实验数据分析表明，气体温度采集、气体加热、流量输送、人体表面温度测量等均能够达到人体表面温度恒定的智能控制要求，实现系统所需的功能。 |
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