1引言

      婴儿培育箱是医院常用的设备之一，主要用于早产儿、病儿的体温维持。经调研发现，医院现用的某型号的培养箱温控系统存在着不足，主要表现在箱内温度不均匀。其原因在于他只依据一个传感器进行温度调整，原控制系统根据传感器采集的温度信号实施控制，传感器附近的温度确实达到了设定的温度范围。但是这样不能保证箱内其他地方的温度也在设定的范围之内，且被控对象温度不均匀。

      本设计中采用4个温度传感器分别置于温箱内的四周，单片机轮流采集各个传感器的温度值，然后对各个温度信号进行综合分析，由此决定发热部分的功率和风扇的转速。

      2系统硬件设计

      2.1系统结构框图

      系统的结构如图1所示。

      2.2各部分说明

      单片机采用功能强大的单片机AT89S52作为控制核心。该型号单片机具有8kB的ROM，256B的RAM还包括3个定时／计数器和ISP下载功能。

      温敏传感器AD590是电流型集成温度传感器，在一定温度下，他相当于一个恒流源，不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声的干扰，且具有很好的线性特性。他只需要一种电源(+4～+30V)，即可实现温度到电流的线性变换，因此，使用十分方便，而且，电流型比电压型的测量精度更高。

      温度信号变换传感器输出的信号经过处理，转化成0～5V的电压信号后送到A／D转换器。

      A／D转换模块采用带串行控制10位模数转换器TLC1543。TLC1543有8路输入端，可编程选择。由于该芯片为串行控制，所以占用单片机I／O口少，而且速度快，精度比普通的8位A／D转化器高。

      抗干扰模块使用看门狗芯片X25045，其看门狗功能将对系统运行起到有效的监视作用，内含512B串行E2PROM，具有掉电非易失特性，在本系统中作为数据备份用。

      功率模块采用随机型固态继电器控制加热设备和风扇的方式。固态继电器采用低电压输入方式，一般为DC3～10V，用可控硅做输出器件。这样弱电的部分与强电的部分实现隔离，可抑制干扰。

      人机交换模块用4×3键盘和液晶显示器构成人机交互界面。

      3系统控制算法

      由于在箱内四角分别放置了一个温敏传感器，因此取得控制信号的关键是怎样对采集到的4路温度信号进行处理。经过多次实验总结出如下的方法：在每一个控制周期开始的时候，分别对4个传感器进行7次采样，然后对采样到的温度值进行数字滤波。对每一个传感器的测量值进行排序，取其中间值作为该传感器本次的测量值。由此得到4个采样点的温度值t1，t2，t3，t4。然后求T和T′，T为t1，t2，t3，t4的平均值，T′为t1，t2，t3，t4中任意两点间的最大差值。即：

      T为该时刻箱内温度的实测值，与设定的温度值和加热装置的功率相关。若T≥38℃或者T≥(设定值t+2℃)时，对箱内的婴儿会造成影响，这时发出报警声。T′为箱内最大温差，表示箱内温度的不均匀程度，与箱内的空气流动速度有关，他用于控制风扇转速。设U1，U2分别为输出给连接加热装置和风扇的两个固态继电器的控制信号：

      K1，K2为一确定常数，K1取得越大响应速度越慢，但是控制精度越高，反之K1越小响应速度越快，但是控制精度越低。K2取得越大响应速度越快，但是会对箱内婴儿影响大，反之K2取得越小响应速度越慢，但是对箱内婴儿影响小。经过反复实验后发现，K1取10℃，K2取2℃比较合适。为了在不同的情况下，加热单元输出不同的发热功率，风扇工作于不同的风速，固态继电器的控制信号己U1，U2必须是脉宽调制波PWM，通过调整每一周期的加热脉冲的宽度以达到目的。

      4系统软件设计

      本系统的程序需要完成以下工作：采样键盘设置箱内温度并显示设定温度值，通过A／D转换器读取4个通道的信号，把该信号转换成温度值，进行数字滤波，求T和T′(若超出报警范围，则输出报警信号)，显示当前温度，根据所采集到的温度值来控制输出端PMW波的占空比。程序比较复杂，如果用传统的程序设计方法需要花费较多的时间。

      在此，采用Keil自带的操作系统RTX51Tiny来设计本程序。RTX51Tiny是RTX51FULL的子集，内核很小(900kB左右)，可以很容易地在没有任何外部存储器的单片8051系统上运行。他支持16个任务，任务间按照时间片循环调度、支持任务间信号传递、支持以下等待操作：等待超时，等待另一个任务或等待中断的信号。在建立系统任务的同时，他还可以使用8051单片机中除定时器0之外的其他中断。

      使用RTX51Tiny的时候应该注意两个方面：合理地进行任务的分配、合理地安排各个任务的顺序。在本设计中，一共安排5个任务，如图2所示。

      由图可知，task4等待task0和task3的信号到来后(得到了新的温度值)才运行刷新液晶显示屏的程序。任务task1完成A／D数据的采集，运行完成后发一个信号给task2。task2处于等待状态，直到收到task1的信号，就对采集到的数据进行数字滤波。然后发信号给task3。task3收到task2的信号后，对数据进行综合分析得出控制量，同时进行备份。task5则根据控制量输出PWM波。

      使用了RTX51Tiny后编程思路简单，程序调试方便，程序设计周期缩短。

      5实验数据分析

      现在将一台改进后和改进前的培养箱进行对比。首先测量室温为23℃，再把两个箱的温度设定为32℃。10min之后两个箱内的温度都达到稳定。

      首先测量未经改进的箱的温度。分别测量箱的左侧(进风口)、中间(安装传感器的位置)和右侧的温度。测量发现，左侧的温度为34℃，中间为32.3℃，右侧为31℃。说明：传感器附近的温度是正常的，因为处理器是根据传感器的测量结果来进行控制的。但是箱内的最大温差为3℃，因为只有一个采样温度的点，不能全面反映箱内的温度情况。

      然后对经过改造后培养箱的4个角(放传感器的地方)和中间的温度进行测量，得到如下结果。四周温度分别为：32.5℃，32.8℃，31.5℃，31.6℃，中间温度为32.4℃。结果表明靠近一侧的两个角的温度稍高(32.5℃，32.8℃)，Ⅱ因为这一侧是热风的进风口；另一侧的温度稍低为(31.5℃，31.6℃)；中间的温度为32.4℃接近四个角温度的平均值32.1℃，和设定的温度基本相符。箱内的最大温差为1.3℃，说明箱内的温度较为均匀。

      实际测量表明，控制效果得到了明显的改善。

      6系统抗干扰措施

      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器件，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X25045，设定好复位时间后他可以在程序“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，因而采用了数值滤波的方法。为了防止单片机RAM中的重要数据在受干扰时被冲毁，在程序中把相应的数据做了备份，存入片外的X25045中，并在系统下次复位后恢复数据。

      7结语

      本设计在硬件和软件方面都对原来的婴儿培养箱做了改进。控制方案更加科学合理，实际效果理想。在软件方面，使用了操作系统RTX51Tiny，使程序设计变得简单快捷。这样的程序设计思想值得推广。