基于單片機的便攜式醫用液體恒溫箱的設計與研制

郭文旭陳清奎李信政

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基于單片機的便攜式醫用液體恒溫箱的設計與研制

郭文旭①陳清奎①李信政①

［摘要］目的：研制一種攜帶方便、價格低廉的醫用液體加熱保溫裝置，用于醫用液體的加熱及恒溫保存。方法：采用單片機系統對溫度進行控制，設定好溫度后溫度傳感器實時采集并顯示箱內溫度，當溫度低于設定值時加熱模塊啟動，達到設定值后停止加熱。結果：使用校準的水銀溫度計檢驗恒溫箱的溫度控制效果顯示，恒溫箱設置的溫度值與水銀溫度計的指示溫度數據無明顯差異，恒溫箱溫度控制效果良好。結論：便攜式醫用液體恒溫箱溫度控制精確，分辨率高，溫度波動幅度小，能夠滿足臨床需要，具有一定的臨床推廣價值。

［關鍵詞］醫用液體；恒溫箱；單片機

郭文旭，男，（1985- ），碩士，工程師。白求恩國際和平醫院醫學工程科，從事劑量與維修工作。

［First-author’s address］ Medical Engineer， Bethune International Peace Hospital， Shi Jiazhuang Hebei， 050082， China.

靜脈輸液是臨床最常用的治療護理手段之一，如果將醫用藥液恒溫加熱到37 ℃再輸入人體，可減輕對血管的刺激，更好保證治療效果。當患者需要輸血時在血庫中取出的血液溫度往往很低，若加溫至32～35 ℃人體接受的溫度，可防止低體溫癥的出現。因此，各醫院均配備有恒溫箱，而恒溫箱體積龐大，靈活性差且價格昂貴。為此，本研究研制一種便攜式、價格適中的恒溫箱，以滿足臨床治療需要。

1 醫用恒溫箱的設計與研制

1.1 溫度控制原理

（1）系統主要功能模塊。研制醫用恒溫箱系統是采用單片機進行控制的恒溫箱，包括溫度設定按鈕、溫度顯示、溫度調節、實時溫度顯示、預定溫度顯示轉換按鈕及溫度采集等，根據需要可另設或多設相關功能［1］。顯示系統除顯示實時的溫度外還能夠顯示設定的溫度，即根據需要設置所要保持的溫度。醫用恒溫箱系統的主要功能模塊如圖1所示。

圖1 醫用恒溫箱系統主要功能模塊框圖

（2）實時溫度顯示。智能醫用恒溫箱采用模塊化系統設計，同時可在生活中有廣泛的應用［2］。模塊系統上電后默認設定的恒溫溫度為28 ℃，使用時可自行將預期的恒溫溫度范圍調節為28～40 ℃。調節好后系統會將采集到的實時溫度與設定的預期溫度進行比較，若實時溫度比預期溫度低則開啟加熱設備［3］。在顯示電路上所顯示的溫度為實時溫度，即傳感器即時采集來的溫度；若想顯示設定的預期溫度可按顯示切換鍵，即顯示器上則會顯示預期溫度；數秒鐘后跳回，顯示實時溫度［4］。當顯示實時溫度的發光二極管點亮時，則顯示實時溫度；而當顯示預期溫度的發光二極管點亮時，則顯示預期溫度［5］。

（3）AT89S51單片機。整個恒溫箱的核心是單片機，本設計采用AT89S51單片機（美國ATMEL公司）為處理器裝置［6］。AT89S51單片機為CMOS型，該單片機裝置具有體積小、功耗低及性能穩定等特點，其片內只讀存儲器（read only memory，ROM）為8 KB，片內隨機存儲器（random access memory，RAM）為256 B，適合實時控制系統，可滿足恒溫箱系統的要求，避免外部擴展而帶來的諸多不便［7］。內部電路設計采用C語言編寫，可完成溫度參數設定、溫度采集計算、溫度顯示、溫度比較即溫度調節等功能［8］。

1.2 恒溫箱的工作流程

醫用恒溫箱系統工作流程為設定預期溫度→溫度采集和計算→溫度比較和溫度調節→實時溫度顯示→設定溫度顯示5個步驟。

（1）設定預期溫度。需要調節預期溫度時先閉合“溫度設定”開關，進入調節狀態，此時會顯示設定的溫度值；需要退出調節狀態時，斷開“溫度設定”開關即可。

（2）溫度采集和計算。單片機通過與溫度傳感器進行通信，獲取實時溫度信息，并將所獲取的溫度信息數據轉化為攝氏溫度的形式存儲起來［9］。

（3）溫度比較和溫度調節。將存儲的實時攝氏溫度與設定的預期溫度進行比較，如果實時溫度低于設定溫度，則開啟加熱器［10］。

（4）實時溫度顯示。將存儲的實時溫度顯示在發光二極管（light emitting diode，LED）數碼管上。

（5）設定溫度顯示。當需要查看設定的預期溫度，則需按下“溫度顯示切換”按鍵，然后LED顯示器會顯示設定預期的溫度，顯示數秒時間后跳出預期溫度的顯示［11］。若再想查看預期溫度顯示則需再次按下“溫度顯示切換”按鍵。

1.3 恒溫箱溫度控制裝置

醫用恒溫箱系統采用AT89S51單片機及外圍接口，恒溫箱的設計實現了溫度控制系統的可靠性、簡化電路結構、節約成本以及實用的工程設計理念［12-13］。應注意的是，恒溫箱內不可過于干燥，否則可能會產生靜電進而影響溫度傳感器的測量準確性。因此，設計的恒溫箱引入加濕裝置對箱內濕度進行補償［14］。加濕裝置默認濕度范圍RH為40%～50%，濕度控制器的控制原理與操作方式與溫度控制器相類似。恒溫箱實物如圖2所示。

圖2 恒溫箱實物示圖

表1 恒溫箱溫度與水銀溫度計對比情況(±s)

表1 恒溫箱溫度與水銀溫度計對比情況(±s)

溫度顯示類型　　溫度數值（℃）溫控儀設置溫度　28　31　34　37　40水銀溫度計示數　28.0±0.2　30.9±0.1　34.1±0.2　37.1±0.1 39.9±0.2

2 醫用恒溫箱應用效果

2.1 溫度控制效果驗證

檢驗恒溫箱的溫度控制效果方法：①將一支水銀溫度計放入恒溫箱內，將恒溫箱溫度分別設定為28 ℃、31 ℃、34 ℃、37 ℃和40 ℃，同時記錄水銀溫度計的示數；②將恒溫箱溫度與水銀溫度計的示數進行比較，實驗共重復5次［15-16］。溫度控制效果驗證所得結果見表1。

表1顯示，恒溫箱設置的溫度與水銀溫度計的示數無明顯差異，表明本恒溫箱溫控效果良好［17］。

根據所選擇的傳感器性能參數推算所得，恒溫箱主要性能指標見表2。

表2 恒溫箱主要性能指標（℃）

2.2 應用效果分析

恒溫箱具有體積小巧、攜帶方便以及溫度控制精度高等優點，適用于醫院、實驗室、疾病控制中心及藥店等醫療機構各種藥液的加溫、恒溫保存。由于本恒溫箱價格適宜，尤其適合鄉鎮醫院及衛生所等中小醫療機構。

3 結論

本研究設計研制的醫用液體恒溫箱經臨床醫療機構驗證，溫度控制精確，經用水銀溫度計驗證其溫度控制效果，恒溫箱設置的溫度與水銀溫度計的示數無明顯差異，恒溫箱的分辨率高（0.1 ℃），溫度波動幅度小（±0.2 ℃），可滿足臨床需要。在對患者靜脈輸液時可將藥液均勻地恒溫至37 ℃，明顯減輕患者靜脈滴注過程中對血管的刺激，顯著提高患者的舒適度。在患者手術過程中將藥品加熱恒溫至37 ℃后再使用，可有效預防低體溫癥的出現，避免術后感染率，從而極大提高手術的成功率。

基于單片機的醫用液體加熱保溫裝置，可用于生理鹽水、注射液及透析液等醫用液體的加熱、恒溫保存，且攜帶方便、價格適中，可滿足各級醫療衛生機構的需要。

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①白求恩國際和平醫院醫學工程科 河北 石家莊 050082

［文章編號］1672-8270（2016）05-0014-03 ［中圖分類號］ R197.39

［文獻標識碼］A

DOI:10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.05.005

作者簡介

收稿日期：2015-09-26

The design and development of a portable thermostat apparatus for medical liquid based on Single-Chip-Microprocessor

GUO Wen-xu， CHEN Qing-kui， LI Xin-zheng

China Medical Equipment，2016，13（5）:14-16.

［Abstract］ Objective: Some medical liquid needs to be heated to the human body temperature，so the constant temperature case is a necessary equipment. But the common constant temperature case is often bulky， inconvenient application and the price is very high， so this paper is mainly to develop a convenient and cheap thermostat device for medical liquid heating. Methods: The system used single-chip microcomputer for temperature control. The temperature sensor collected and displayed the temperature of the box when the temperature was set up. Then the heating module started when the temperature was lower than the set point， and stopped heating when reaching to the set point. Results: The temperature control effect of constant temperature case tested by calibrated mercury thermometer， the temperature of constant temperature case was not significantly different from that of mercury thermometer. Conclusion: The portable constant temperature case for medical liquid have the characteristics of precise temperature control， high temperature resolution， and small temperature fluctuations. It can meet the clinical needs and be worth to popularizing in clinical applications.

［Key words］Medicinal liquid； Constant temperature case； Single chip microprocessor