基于STM32的醫(yī)用控溫毯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)文檔

孝感定原電子科技有限公司文檔編號(hào)產(chǎn)品版本密級(jí)產(chǎn)品名稱：基于STM32的醫(yī)用控溫毯控制系統(tǒng)的軟件共頁(yè)軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)報(bào)告目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 3\o"CurrentDocument"詳細(xì)設(shè)計(jì) 3\o"CurrentDocument".1 軟件簡(jiǎn)述 3\o"CurrentDocument"1.2 軟件功能描述 31.3 溫度檢測(cè)及顯示模塊設(shè)計(jì) 51.4 熱釋電紅外傳感模塊 71.5 GSM短信報(bào)警模塊 81.6PWM脈沖發(fā)射控制 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。\o"CurrentDocument"2編程協(xié)定 12\o"CurrentDocument"2.1 操作系統(tǒng) 12\o"CurrentDocument"2.2 調(diào)試工具 12\o"CurrentDocument"2.3 編譯鏈接工具 12僅供內(nèi)部使用軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)報(bào)告摘要在臨床醫(yī)學(xué)上，往往需要對(duì)患者的全身或局部進(jìn)行物理降溫或升溫治療。物理降溫治療中較為常見(jiàn)的是被廣泛應(yīng)用在神經(jīng)外科、ICU、神經(jīng)內(nèi)科等臨床科室的亞低溫治療；國(guó)際上將人體低溫劃分成三個(gè)范圍，分別是：輕度低溫33?35℃),中度低溫(17?27℃),超深低溫(2?16℃),其中將輕中度低溫(28?35℃)統(tǒng)稱為亞低溫［11。研究發(fā)現(xiàn)，由于外部溫度對(duì)腦組織細(xì)胞中與能量代謝相關(guān)的酶促反應(yīng)的影響比較明顯，在亞低溫狀態(tài)時(shí)酶促反應(yīng)變慢，其能量代謝能夠較正常狀態(tài)減弱60%,使得腦組織能更好的耐受血氧不足的狀態(tài)，這一特點(diǎn)使得亞低溫治療方法在治療中重型顱腦損傷等方面有著先天優(yōu)勢(shì)，大量的臨床應(yīng)用也表明亞低溫治療腦組織損傷患者成功率更高，且尚未發(fā)現(xiàn)有嚴(yán)重的并發(fā)癥發(fā)生，具有令人滿意的安全性，目前國(guó)內(nèi)外將亞低溫治療應(yīng)用在重型和特重型顱腦損傷患者、廣泛性腦挫裂傷腦水腫、原發(fā)性和繼發(fā)性腦干傷、難以控制的顱內(nèi)高壓、中樞性高熱與各種原因?qū)е碌男奶E停等臨床病癥。物理升溫治療主要應(yīng)用在醫(yī)療手術(shù)及康復(fù)治療過(guò)程中，臨床研究表明，手術(shù)中或手術(shù)后會(huì)有較大的可能出現(xiàn)體溫過(guò)低的現(xiàn)象，引起如心律失常、呼吸系統(tǒng)損壞、腎功能衰竭等并發(fā)癥，對(duì)于全身麻醉時(shí)間較長(zhǎng)的手術(shù)，需要做好相應(yīng)的保溫或升溫措施以保證手術(shù)過(guò)程中患者的體溫正常。以往在對(duì)病人進(jìn)行物理降溫時(shí)常采用溫水、酒精擦浴，冰袋冷敷等方式，雖然操作簡(jiǎn)單，迅速達(dá)到顯著的降溫效果，但是其溫度控制困難，難以維持，而且需要定時(shí)更換，加重醫(yī)護(hù)人員的工作量危險(xiǎn)。近年來(lái)，具有升降溫功能的醫(yī)用控溫毯由于其便捷性與安全有效等特點(diǎn)而受到臨床醫(yī)生的青睞，一方面，醫(yī)用控溫毯的降溫功能可用于亞低溫治療，通過(guò)將控溫毯包裹患者的腦部或覆蓋患者的體表來(lái)降低患者的體溫，溫度安全可控，不會(huì)發(fā)生凍傷的危害；另一方面，醫(yī)用控溫毯的升溫功能可用于保溫或升溫治療，通過(guò)控溫毯覆蓋患者體表與患者進(jìn)行熱交換實(shí)現(xiàn)患者體溫的保持或升高，以保證患者在手術(shù)中或手術(shù)后的體溫正常。且醫(yī)用控溫毯操作簡(jiǎn)便，醫(yī)護(hù)人員只需簡(jiǎn)單的操作就能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制并保持設(shè)定溫度，大大減輕了醫(yī)護(hù)人員的工作量。目前醫(yī)用控溫毯已經(jīng)在神經(jīng)外科、ICU、神經(jīng)內(nèi)科、急診科、血液科、兒科等臨床科室被廣泛應(yīng)用。關(guān)鍵詞醫(yī)用控溫毯串口屏1詳細(xì)設(shè)計(jì)1.1軟件簡(jiǎn)述控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心工作，系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)是為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)服務(wù)的，控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)完全依靠于系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)不僅要實(shí)現(xiàn)所要求的功能，也要有較好的實(shí)時(shí)性、易拓展性、易維護(hù)性等特點(diǎn)，這就要求在軟件設(shè)計(jì)前有充分的規(guī)劃，選擇并搭建好合適的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，并留有相應(yīng)的開(kāi)發(fā)文檔1.2軟件功能描述1.2.1 軟件功能介紹本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括兩部分，分別是控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和操作界面軟件設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)使用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，并使用Keil公司的KeiluVision4集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)以及其內(nèi)置的RealViewMDK.ARM開(kāi)發(fā)工具(版本為4.12),該開(kāi)發(fā)工具支持ARM7、ARM9、Cortex-M3僅供內(nèi)部使用

軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)報(bào)告/MI、Cortex.RI瓜4等ARM微控制器內(nèi)核。本控制系統(tǒng)軟件在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）uC/OS.II（版本為V2.92.07）的基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。操作界面軟件設(shè)計(jì)采用液晶屏廠家的串12屏開(kāi)發(fā)調(diào)試軟件VisualTFT（版本為V3.0）進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。1.2.2 軟件基本框架信號(hào)調(diào)理部分采用了模擬比較器輸入的結(jié)構(gòu)，下圖是本軟件的基本框架圖和主程序流程圖。圖一基本框架圖信號(hào)通過(guò)高速運(yùn)放搭建的模擬比較器，比較器的比較電壓通過(guò)STM32F417的數(shù)模轉(zhuǎn)換器提供，用于初始化進(jìn)行噪聲采集，門限自適應(yīng)，這樣可以濾除存在于信道中的噪聲。若開(kāi)機(jī)檢測(cè)到串口發(fā)送指令，則程序切換到USART串口收發(fā)模式，可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和數(shù)據(jù)的導(dǎo)出僅供內(nèi)部使用軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)報(bào)告操作。信號(hào)經(jīng)過(guò)了模擬比較器后得到了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)，方波信號(hào)進(jìn)入到多路輪詢模塊中進(jìn)行通道切換。系統(tǒng)以C和匯編語(yǔ)言為編程語(yǔ)言。該系統(tǒng)通過(guò)傳感器對(duì)室內(nèi)環(huán)境條件進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，由單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并采取相應(yīng)措施。系統(tǒng)程序流程如圖3所示。系統(tǒng)啟動(dòng)之后，首先進(jìn)行初始化操作，為了能夠及時(shí)顯示溫度以及對(duì)非法入侵報(bào)警，系統(tǒng)采用中斷技術(shù)，使用單片機(jī)定時(shí)中斷TO,每隔500ms中斷一次。打開(kāi)中斷后，系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)行工作，當(dāng)有人進(jìn)入時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用GSM短信發(fā)送程序，并進(jìn)行蜂鳴器報(bào)警，為了讓報(bào)警產(chǎn)生效果，將報(bào)警時(shí)間延遲2分鐘。GSM發(fā)送短信程序設(shè)計(jì)的流程圖如圖4所示。圖二主程序流程圖1.3液晶任務(wù)模塊設(shè)計(jì)在獲取指令時(shí)，液晶顯示任務(wù)通過(guò)串口1的接收中斷接收來(lái)自觸摸液晶屏模塊的相關(guān)指令，串口l接受中斷將接收到的液晶屏指令推送到消息隊(duì)列中。消息隊(duì)列是uC/OS.II系統(tǒng)提供的一種通信機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)多條消息的存儲(chǔ)與傳遞。在uC/OS.II系統(tǒng)啟動(dòng)之前，主程序通過(guò)調(diào)僅供內(nèi)部使用軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)報(bào)告用消息隊(duì)列建立函數(shù)建立了一個(gè)能存儲(chǔ)50個(gè)字節(jié)的消息隊(duì)列緩沖區(qū)，以存儲(chǔ)接收到液晶屏指令。當(dāng)液晶任務(wù)運(yùn)行時(shí)，會(huì)先檢測(cè)消息隊(duì)列里有沒(méi)有液晶屏指令，并獲取接收到的液晶屏指令長(zhǎng)度，如果指令長(zhǎng)度不為0，則調(diào)用指令處理函數(shù)。在介紹指令處理函數(shù)之前，先介紹一下液晶屏指令的組成與格式。液晶屏指令屬于不定長(zhǎng)指令，有四部分組成，分別是幀頭、指令、指令參數(shù)和幀尾。以切換畫面的指令為例，當(dāng)單片機(jī)發(fā)送EEB1000001FFFCFFFF給液晶屏模塊，就能實(shí)現(xiàn)畫面切換的功能，其中EE是幀頭，F(xiàn)FFCFFFF是幀尾，它們的格式是固定的，B100是指令部分，表示切換畫面指令，801是指令參數(shù)部分，表示需要顯示的目標(biāo)畫面ID，這兩部分的長(zhǎng)度是不固定的。由于液晶屏指令存在固定的幀頭與幀尾，相應(yīng)的檢測(cè)函數(shù)只需識(shí)別幀頭與幀尾即可識(shí)別液晶屏指令。1.3.1 程序流程圖僅供內(nèi)部使用軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)報(bào)告1.3.2 設(shè)備側(cè)實(shí)現(xiàn)液晶屏指令屬于不定長(zhǎng)指令，有四部分組成，分別是幀頭、指令、指令參數(shù)和幀尾。以切換畫面的指令為例，當(dāng)單片機(jī)發(fā)送EEB1000001FFFCFFFF給液晶屏模塊，就能實(shí)現(xiàn)畫面切換的功能，其中EE是幀頭，F(xiàn)FFCFFFF是幀尾，它們的格式是固定的，B100是指令部分，表示切換畫面指令，801是指令參數(shù)部分，表示需要顯示的目標(biāo)畫面ID，這兩部分的長(zhǎng)度是不固定的［32］。由于液晶屏指令存在固定的幀頭與幀尾，相應(yīng)的檢測(cè)函數(shù)只需識(shí)別幀頭與幀尾即可識(shí)別液晶屏指令。1.4傳感器任務(wù)模塊本控制系統(tǒng)中需要讀取的傳感器有DS18820、ADT7320、液位開(kāi)關(guān)與ACS712四種，這四種傳感器都屬于被動(dòng)型輸入設(shè)備，即不能產(chǎn)生中斷，必須有由單片機(jī)通過(guò)相應(yīng)的通信機(jī)制向傳感器發(fā)送請(qǐng)求，并獲取相關(guān)信號(hào)［60］。傳感器任務(wù)采用輪詢的方式依次與各個(gè)傳感器進(jìn)行通信，并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)與信號(hào)。僅供內(nèi)部使用

軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)報(bào)告1.4.1 程序流程圖1.4.2 設(shè)備側(cè)實(shí)現(xiàn)在讀取各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的函數(shù)中，讀取ADT7320與讀取電流信號(hào)分別使用的是片內(nèi)的SP12外設(shè)與片內(nèi)的AD轉(zhuǎn)換器，只需要在初始化時(shí)設(shè)置好相應(yīng)的寄存器，在使用是只需調(diào)用STM32固件庫(kù)提供的相應(yīng)函數(shù)即可獲取，軟件上實(shí)現(xiàn)比較方便；讀取水位信號(hào)的流程在介紹液位開(kāi)關(guān)時(shí)已經(jīng)說(shuō)明，此處不再贅述；在讀取兩路DSISB20溫度傳感器信號(hào)時(shí)，由于DS18820采用單總線協(xié)議與單片機(jī)通信，則需要軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)單總線通信協(xié)議的時(shí)序。其復(fù)位、寫操作、讀操作時(shí)序。1.5測(cè)溫處理模塊DS18820的單總線命令發(fā)送方式是固定的，依次發(fā)送初始化命令、ROM命令、功能命令，每次訪問(wèn)DS18820需嚴(yán)格執(zhí)行這個(gè)順序，否則將產(chǎn)生錯(cuò)誤。其中初始化命令是指由程序發(fā)送的復(fù)位脈沖與DS18820響應(yīng)的應(yīng)答脈沖；ROM命令是與DS18820內(nèi)部唯一的ROM代碼有關(guān)，當(dāng)單總線上掛載多個(gè)DS18820時(shí)，該指令用于識(shí)別各個(gè)不同的DS18820；功能命令是指程序發(fā)送如轉(zhuǎn)換溫度、讀暫存器、寫暫存器等指令實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。具體流程如下圖。僅供內(nèi)部使用軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)報(bào)告1.5.1 程序流程圖1.5.2 設(shè)備側(cè)實(shí)現(xiàn)由于沒(méi)有使用單總線上掛載多個(gè)DS18820的硬件結(jié)構(gòu)，所以在程序中發(fā)送跳過(guò)ROM指令不需進(jìn)行ROM匹配；由于在硬件電路設(shè)計(jì)中采用了隔離措施，在對(duì)DS18820實(shí)旋讀寫操作之前，需要通過(guò)相應(yīng)管腳輸出信號(hào)接通所要讀取的DS18820所連接的通道，并通過(guò)相應(yīng)管腳使能對(duì)應(yīng)的模擬電子開(kāi)關(guān)CD4051之后才能進(jìn)行命令或數(shù)據(jù)的讀寫操作；在讀取完溫度數(shù)值后，數(shù)據(jù)處理函數(shù)會(huì)對(duì)溫度數(shù)值采取一定的濾波處理，并判斷溫度值是否在所要求的范圍內(nèi)，否則的話講置位相應(yīng)的報(bào)警標(biāo)志。止匕外，在與DS18820進(jìn)行通信之前，程序會(huì)檢測(cè)DS18820的存在，如果不存在將置位相應(yīng)的報(bào)警標(biāo)志。1.6控制任務(wù)設(shè)計(jì)控制任務(wù)的主要目的有兩個(gè)，一是自整定PID參數(shù)，一是根據(jù)設(shè)置溫度值與實(shí)際溫度值通過(guò)PID算法輸出相應(yīng)的PWM脈沖。僅供內(nèi)部使用軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)報(bào)告軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)報(bào)告1.6.1 子程序流程圖1.6.2 設(shè)備側(cè)實(shí)現(xiàn)首先需初始化片內(nèi)外設(shè)高級(jí)定時(shí)器1及其對(duì)應(yīng)管腳狀態(tài)，以輸出PWM脈沖，接著判斷控制模式，如果是PID模式則計(jì)算設(shè)定溫度值與實(shí)際溫度值的偏差，并根據(jù)偏差進(jìn)入相應(yīng)的控制環(huán)節(jié)，在控制任務(wù)設(shè)計(jì)中，偏差大于3°C，則輸出占空比最大(95%)的PWM脈沖;偏差小于.1℃,則輸出占空比最小(15%)的PWM脈沖，并用繼電器切斷電路連接；偏差在.1℃?3"C之間時(shí)，則進(jìn)入PID控制，最后將控制環(huán)節(jié)得到。的PWM占空比值寫入相應(yīng)寄存器輸出對(duì)應(yīng)的PWM脈沖，并調(diào)用系統(tǒng)延時(shí)函數(shù)延時(shí)2s,即PID控制的采樣時(shí)間為2s。如果是繼電反饋控制模式，則進(jìn)行PID參數(shù)整定的功能。1.7控制任務(wù)設(shè)計(jì)10的左側(cè)是無(wú)線任務(wù)流程圖，該任務(wù)先初始化USARTl與SP12相關(guān)的管腳以及寄存器，無(wú)線任務(wù)10僅供內(nèi)部使用

軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)報(bào)告可通過(guò)相關(guān)變量進(jìn)行開(kāi)啟或關(guān)閉，如果開(kāi)啟該功能則判斷SP12中斷發(fā)來(lái)的消息郵箱是否有消息，如果有則更新到相關(guān)全局變量;如果功能剛被開(kāi)啟，則通過(guò)串口1向Zigbee模塊發(fā)送患者信息，并發(fā)送實(shí)時(shí)的溫度等信息，如果不是剛開(kāi)啟功能，則只向Zigbee模塊發(fā)送溫度等信息，使得功能被開(kāi)啟后只發(fā)送一次患者信息的數(shù)據(jù)，而不用在重復(fù)發(fā)送。.7.2 設(shè)備側(cè)實(shí)現(xiàn)11本控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)沒(méi)有針對(duì)Zigbee模塊進(jìn)行開(kāi)發(fā)，Zigbee模塊上運(yùn)行的程序是德州儀器(TI)公司提供的官方例程中的串V1透?jìng)?SerialApp)的代碼，該程序?qū)崿F(xiàn)的功能是作為終端的Zigbe