靳祖光，金劍，袁威，胡曉燕

1.勝利油田中心醫(yī)院 醫(yī)學(xué)裝備部，山東 東營 257100；2.海軍軍醫(yī)大學(xué)長海醫(yī)院 燒傷外科，上海 200433；3.江蘇張家港匯燃設(shè)備有限公司，江蘇 蘇州 215600

引言

對于從事燙傷研究的醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)人員而言，傳統(tǒng)的動物燙傷實(shí)驗(yàn)方式（圖1），大都采用沸水、電熱或火熱的方式來加熱燙頭[1-3]，通過人工操作將其放置在已備皮的大鼠體表，從而實(shí)現(xiàn)燙傷。該方法存在許多缺陷，主要表現(xiàn)在3個方面：① 實(shí)驗(yàn)步驟不規(guī)范，過程實(shí)現(xiàn)較慢，對操作人員存在一定的誤傷隱患；② 對于實(shí)驗(yàn)對象的燙傷溫度、壓力和時(shí)間，無法得到精準(zhǔn)設(shè)定，不能精確的構(gòu)建燙傷模型（Ⅰ度、淺Ⅱ度、深Ⅱ度燙傷模型等[2]）；③ 無法實(shí)時(shí)獲取實(shí)驗(yàn)過程中各參量數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)意義不充分。由此，本文根據(jù)國家發(fā)明專利“用于動物的燒燙傷實(shí)驗(yàn)裝置（201610791887.X）”實(shí)現(xiàn)樣機(jī)，以解決以上問題，提高實(shí)驗(yàn)效率和意義。

圖1 傳統(tǒng)動物燙傷實(shí)驗(yàn)步驟簡圖

1 燙傷實(shí)驗(yàn)平臺總體方案設(shè)計(jì)

1.1 平臺結(jié)構(gòu)總體方案

自動化燙傷平臺的外觀結(jié)構(gòu)，見圖2，其開放部分包含溫控燙塊、直線滑軌、壓力控制模塊、大鼠托盤、超聲測距探頭和電阻式觸摸屏。平臺內(nèi)部包含步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動器、12C5A60S2單片機(jī)、開關(guān)電源和、多傳感器控制系統(tǒng)及其相關(guān)印制電路板。

其中，電阻式觸摸屏的作用是為實(shí)驗(yàn)人員提供多元化的人機(jī)交互界面。實(shí)驗(yàn)人員可通過該界面控制燙塊動作，并可輸入實(shí)驗(yàn)所預(yù)定的溫度、壓力和時(shí)間，精準(zhǔn)控制各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)。同時(shí)在燙傷開始后，操作者通過該界面可獲取燙傷過程中有關(guān)實(shí)驗(yàn)對象的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和狀態(tài)曲線，以供后期科研分析使用。溫控燙塊內(nèi)部包含DS18B20溫度傳感器和微型電熱管，在內(nèi)部單片機(jī)的控制下，形成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，通過PID算法[4]可使溫度維持在設(shè)定范圍內(nèi)。對于直線滑軌，在非燙傷狀態(tài)下，其作用為帶動溫控燙塊垂直平移動作；當(dāng)燙塊接觸到實(shí)驗(yàn)對象后，直線滑軌啟動施壓模式。在壓力傳感器的實(shí)時(shí)采集下，同樣形成一套閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，通過PID算法可使壓力維持在設(shè)定范圍內(nèi)。

圖2 大鼠自動化燙傷實(shí)驗(yàn)平臺外觀示意圖

1.2 系統(tǒng)硬件總體方案

大鼠自動化燙傷平臺的系統(tǒng)硬件框圖，見圖3。12C5A60S2單片機(jī)與觸摸屏和多傳感器控制系統(tǒng)均采用雙向通信方式進(jìn)行控制。為節(jié)省單片機(jī)引腳使用空間，本文選用Uart串口方式控制觸摸屏，選用常規(guī)IO□與多傳感器控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊。A/D轉(zhuǎn)換芯片HX711、壓力傳感器及相關(guān)電路構(gòu)成壓力模塊；燙塊、溫度傳感器DS18B20、微型電熱棒、MOS場效應(yīng)管及相關(guān)驅(qū)動電路構(gòu)成溫度模塊；直線滑軌、超聲波測距探頭、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動器構(gòu)成傳動模塊。其中，硬件控制系統(tǒng)直接作用于動物實(shí)驗(yàn)對象的兩部分分別為溫控燙頭和壓力傳感器，功能分別為加熱燙傷和采集實(shí)時(shí)壓力。

在該套硬件方案中，12C5A60S2單片機(jī)自帶PWM脈寬輸出引腳[5]，結(jié)合MOS場效應(yīng)管驅(qū)動電路[6]，通過輸出TTL電平的方式控制微型電熱管兩端0～24 V電壓，以低電壓控制較高電壓的方式實(shí)現(xiàn)燙塊的無極調(diào)控加熱。另外，系統(tǒng)引入超聲波測距探頭的目的在于，實(shí)時(shí)監(jiān)測燙塊與大鼠托盤的距離，降低儀器自損傷和誤傷操作人員的可能性，為實(shí)驗(yàn)操作提供可靠的安全保證。

2 傳動模塊設(shè)計(jì)

2.1 直線導(dǎo)軌機(jī)械結(jié)構(gòu)

由上文所知，直線導(dǎo)軌為該實(shí)驗(yàn)平臺的主體機(jī)械傳動裝置，其結(jié)構(gòu)見圖4。該傳動機(jī)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)平臺中的固定方式為豎直放置。考慮到盡可能降低電機(jī)所承載的負(fù)荷，將57步進(jìn)電機(jī)置于豎直方向的最頂端，即機(jī)構(gòu)所有重力施加在絲桿底端的軸承上，以此方式降低系統(tǒng)動作時(shí)的能量消耗，提高機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。

圖中，滑塊為該機(jī)構(gòu)所驅(qū)動的終端部件。在整體平臺系統(tǒng)中，滑塊的功能為：① 燙傷開始前，帶動燙塊豎直移動；② 燙傷開始后，對實(shí)驗(yàn)對象施加預(yù)設(shè)壓力。

2.2 電機(jī)及驅(qū)動器控制系統(tǒng)

綜合考慮電機(jī)負(fù)載能力和其自身重量，選用57式2相4線步進(jìn)電機(jī)作為直線導(dǎo)軌的動力源。經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析，將燙塊速度控制在5～10 mm/s，選用含32細(xì)分的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器最為合適。其具體細(xì)分?jǐn)?shù)值可通過撥位開關(guān)來調(diào)整。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊連線示意圖，見圖5。

圖3 大鼠自動化燙傷實(shí)驗(yàn)平臺系統(tǒng)硬件框圖

圖4 直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)圖

圖5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊連線示意圖

步進(jìn)電機(jī)單獨(dú)受控于驅(qū)動器，4線分別按照黑、綠、紅、藍(lán)的顏色順連接至A+、A-、B+、B-端。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器采用共陽極接法與12C5A60S2單片機(jī)連接，CP+、DIR+和EN+分別連接在單片機(jī)5 V+電源公共端上。驅(qū)動器本身由開關(guān)電源24 V供電。CP-、DIR-和EN-分別接收來自單片機(jī)的速度信號、方向信號和使能信號的控制[7-8]。

本系統(tǒng)選用12C5A60S2單片機(jī)作為平臺控制核心，自帶兩個PWM功能引腳P1.3和P1.4，預(yù)設(shè)置PCA-PWM SFR特殊功能寄存器,可以使得PWM信號無需通過定時(shí)器模擬編程即可實(shí)現(xiàn)調(diào)控CP-端電機(jī)速度[8]。12C5A60S2的兩個PWM端的初始化程序如下所示：

CCON = 0; //初始化PCA控制寄存器

CL = CH = 0; //復(fù)位PCA

CMOD = 0x0C; //初始化PCA時(shí)鐘為Fosc/6

CCAPM0 = 0x00; //設(shè)置pwm0引腳P1.3為GPIO

CCAPM1 = 0x00; //設(shè)置pwm1引腳P1.4為GPIO

CR = 1; //啟動PCA-PWM模式

其中，命名引腳P1.3為pwm0，命名P1.4為pwm1口；定義pwm0為加熱控制端，定義pwm1為步進(jìn)電機(jī)控制端。賦值CCAPM1為0x42可啟動步進(jìn)電機(jī)，設(shè)置CMOD的時(shí)鐘頻率可以調(diào)控步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度。

3 多傳感器控制系統(tǒng)

3.1 溫度模塊選型及控制

溫控燙塊剖面圖（含DS18B20螺紋式溫度傳感器），見圖6。溫度模塊主要集成在溫控燙塊內(nèi)，選用螺紋式DS18B20溫度傳感器，使其與燙塊間擁有更大的傳熱面積，從而增加傳熱效率和實(shí)時(shí)準(zhǔn)度。DS18B20溫度傳感器含三條引線：VDD接5 V電源；GND接信號地；DQ接單片機(jī)控制引腳，單線雙向傳遞信號，輸出為8位二進(jìn)制數(shù)字量信號[10]。因此，單片機(jī)控制DS18B20僅需一個IO口，且不需外部電源供電。DS18B20的測量范圍從-55℃到+125℃，誤差控制在0.5℃內(nèi)，可在1 s內(nèi)將溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)燙傷溫度實(shí)實(shí)時(shí)采集[10-11]。

溫度傳感器獲取燙塊內(nèi)部溫度后，單片機(jī)根據(jù)現(xiàn)有溫度，通過PID算法計(jì)算出當(dāng)前狀態(tài)下對電熱管所施加的最恰當(dāng)電壓。12C5A60S2單片機(jī)可以通過輸出PWM脈寬來對IO口電壓進(jìn)行無極調(diào)控。由于單片機(jī)IO口輸出的最高電壓為5 V，而電熱管最高加熱電壓為24 V，所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)IRF540 MOS管驅(qū)動電路置于兩者之間，使得低電壓輸出的PWM信號可以間接驅(qū)動電熱管兩端的較高電壓，既保證了系統(tǒng)的時(shí)效性，又提高了控制電路安全性。PWMMOS管驅(qū)動電路，見圖7。

圖6 溫控燙塊剖面圖（含DS18B20螺紋式溫度傳感器）

圖7 PWM-MOS管驅(qū)動電路

如上文所述，該平臺核心12C5A60S2帶有2個PWM功能引腳，其中pwm0被定義為PWM-MOS管驅(qū)動電路控制端。系統(tǒng)通過PID溫控算法，結(jié)合DS18B20獲取實(shí)時(shí)溫度tempNow與目標(biāo)溫度tempSet對比，分別計(jì)算出比例、積分、微分控制項(xiàng)，最后計(jì)算出適用于當(dāng)次加熱的PWM占空比dutyPID。其中，占空比最大參數(shù)dutyMAX為255，此時(shí)加熱頻率最低；占空比最小為0，此時(shí)加熱頻率最高。系統(tǒng)PID溫控算法程序如下所示：

void heatRun(int tempNow, int tempSet)

{ int errorNow, dutyPID;

fl oat Pterm, Dterm; //Iterm為全局變量

pwm0_On(); //啟用P1.3端的pwm模式

{errorNow = tempSet - tempNow; //當(dāng)前溫度與目標(biāo)溫度差

Pterm = Kp * errorNow; //計(jì)算比例控制量

Iterm += Ki * errorNow; //計(jì)算積分控制量

dutyCheck(Iterm, dutyMAX); //檢查Iterm值，確保其不會累積超限

Dterm = Kd * (errorNow - errorLast); //計(jì)算微分控制量

errorLast = errorNow; //緩存當(dāng)前溫度差，全局變量

dutyPID = dutyMAX-(Pterm + Iterm + Dterm);

dutyCheck(dutyPID, dutyMAX); //檢查dutyPID值，確保其不會超限

pwm0_DutyCycle((char)(dutyPID)); //占空比改為dutyPID，改變加熱功率

}

else{pwm0_DutyCycle(254);} //保溫狀態(tài)

}

3.2 壓力模塊選型及控制

梁式壓力傳感器工作原理圖，見圖8。

圖8 梁式壓力傳感器工作原理圖

自動化燙傷平臺選用雙孔懸臂平行梁應(yīng)變式壓力傳感器，其特點(diǎn)是：精度高、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、抗偏載能力強(qiáng)、固有頻率高，可以滿足燙傷平臺在結(jié)構(gòu)、精度和采集方式上的主要要求。

梁式壓力傳感器內(nèi)固定有4個應(yīng)變式電阻，當(dāng)傳感器受力產(chǎn)生變形時(shí)，應(yīng)變式電阻產(chǎn)生相應(yīng)的形變，并將其轉(zhuǎn)化為電阻阻值的變化。值得注意的是，當(dāng)實(shí)驗(yàn)對象在被施加壓力的同時(shí)，燙傷加熱也在共同進(jìn)行，所以溫度上升也會影響應(yīng)變式電阻阻值的變化。所以采用4個應(yīng)變電阻，同處一個溫度場，溫度影響也會兩兩相互抵消。HX711模數(shù)轉(zhuǎn)換電路原理圖，見圖9，4個電阻構(gòu)成電橋，將外力引起的阻值變化轉(zhuǎn)為電壓變化，再通過HX711轉(zhuǎn)為數(shù)字量輸入至單片機(jī)內(nèi)。

圖9 HX711模數(shù)轉(zhuǎn)換電路原理圖

HX711是一款專為壓力傳感器而設(shè)計(jì)的高精度24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。相比其它A/D芯片，HX711內(nèi)部集成有穩(wěn)壓電源和片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器，響應(yīng)速度快，抗干擾性強(qiáng)，滿足燙傷平臺壓力模塊設(shè)計(jì)需求，同時(shí)提高了整機(jī)性能和可靠性。如圖9所示，梁式壓力傳感器將壓力模擬信號輸入至HX711后，由PD_SCK和DOUT構(gòu)成通訊引腳，向單片機(jī)輸出數(shù)字量數(shù)據(jù)，并選擇輸入通道和增益。單片機(jī)控制HX711的大致時(shí)序如下：當(dāng)數(shù)據(jù)輸出引腳DOUT為高電平時(shí)，表明HX711還未準(zhǔn)備好輸出數(shù)據(jù)，此時(shí)串口時(shí)鐘輸入信號PD_SCK為低電平；當(dāng)DOUT從高電平變低電平后，單片機(jī)輸入25至27個不等的時(shí)鐘脈沖至PD_SCK引腳[12]。其中，第一個時(shí)鐘脈沖的上升沿將逐一讀到輸出24位數(shù)據(jù)的最高位，直至第24個時(shí)鐘脈沖完成。另外，DOUT在4個數(shù)據(jù)輸出周期后才會從高電平變低電平，輸出有效數(shù)據(jù)[12]。讀取HX711所采集的壓力值的大致程序如下：

unsigned long HX711_Read(void) //讀取HX711，選擇增益128

{unsigned char i; unsigned long count=0; //壓力讀取值

DOUT=1; Delay_us(); PD_SCK=0; //初始化

while(DOUT); //DOUT高電平，等待AD轉(zhuǎn)換結(jié)果

for(i=0;i＜24;i++) //24個脈沖讀取數(shù)據(jù)

{ PD_SCK=1; //發(fā)送一個脈沖

count=count＜＜1; //左移至最高

PD_SCK=0; //降至低電平，完成一個脈沖

if(DOUT) {count++; } } //判斷AD結(jié)束后，讀取下一位

PD_SCK=1; count=count^0x800000; //第25個脈沖下降沿來時(shí)，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)

Delay_us(); PD_SCK=0; return(count); } //結(jié)束脈沖，返回壓力值

3.3 測距模塊選型及控制

相比傳統(tǒng)的限位開關(guān)，超聲波測距模塊不只是反饋單點(diǎn)的位置信息，而是采集有效范圍內(nèi)的距離值。這種反饋使得燙傷塊在移動時(shí)具備更加豐富的可控性。其測距其基本原理為：① 發(fā)射信號，模塊內(nèi)的壓電晶片將電信號轉(zhuǎn)換成高頻振動的機(jī)械能，產(chǎn)生聲納壓力波包發(fā)射出去；② 接收信號，模塊通過與發(fā)射信號相反的過程，接收反射波包并轉(zhuǎn)換成電信號；③ 計(jì)算距離，測取波包的收發(fā)占用時(shí)間，通過已知的聲速、時(shí)間即可計(jì)算出距離值。

本平臺選用具有溫度補(bǔ)償功能[13]的SDM-IO型超聲波傳感器，其引腳和實(shí)物圖，見圖10。VCC和GND接單片機(jī)5 V供電，另兩引腳功能TRIG為波包信號啟動端，為輸入信號；ECHO為計(jì)時(shí)反饋端，為輸出信號。傳感器工作的時(shí)序如下：① 單片機(jī)向TRIG端發(fā)送一個10 μs以上的低電平以啟動一個測量周期；② TRIG端置為高電平后，傳感器自動發(fā)送8個40 kHz的方波，同時(shí)單片機(jī)啟動內(nèi)部定時(shí)器；③ 超聲波發(fā)出后ECHO端輸出高電平，等待ECHO端電平置低信號；④ ECHO端置低后，停止計(jì)時(shí)，單片機(jī)從定時(shí)器TH和TL中取出計(jì)時(shí)值，根據(jù)勾股定理計(jì)算出障礙物距離[14-15]，相關(guān)實(shí)現(xiàn)程序如下所示：

圖10 SDM-IO超聲波模塊示意圖

while(!ECHO); //當(dāng)RX為零時(shí)等待

TR0=1; //給TR0賦值1，開啟計(jì)數(shù)器

while(ECHO); //當(dāng)RX為1計(jì)數(shù)并等待

TR0=0; //給TR0賦值0，關(guān)閉計(jì)數(shù)器

time=TH0×256+TL0; //讀取脈寬長度，TH0、TL0各8位，2^8=256，time=TH0×256+TL0

TH0=0; TL0=0; //計(jì)數(shù)器重新初始化

S=(time×1.7)/100; //距離=(高電平時(shí)間×340 m/s)/2，計(jì)算結(jié)果為cm單位

4 觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)

自動化燙傷平臺可為操作者提供豐富的人機(jī)界面，使操作人員可以自由設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)，并查看實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，獲取溫度、壓力曲線及機(jī)器運(yùn)行的其它相關(guān)狀態(tài)。本平臺選用7寸電阻式彩色觸摸屏，使操作人員在佩戴手套的情形下也可以順暢的控制機(jī)器。人機(jī)界面程序在編譯好后被固化在觸摸屏內(nèi)置存儲器中，其實(shí)際操作照片，見圖11。

圖11 自動化燙傷平臺觸摸屏人機(jī)界面

人機(jī)界面底部為操作者提供參數(shù)設(shè)置引導(dǎo)流程，分別為：去重，溫度設(shè)置，開始/停止加熱，壓力設(shè)置，熱源下降/上升。屏幕左部分顯示機(jī)器狀態(tài)、實(shí)時(shí)溫度和壓力曲線。屏幕右端顯示時(shí)間、溫度和壓力的預(yù)設(shè)和當(dāng)前狀態(tài)。人機(jī)界面程序可通過串口連接PC進(jìn)行升級。

5 實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)采集及結(jié)果分析

大鼠燙傷實(shí)驗(yàn)步驟簡圖，見圖12。實(shí)驗(yàn)前按照SD大鼠體重5 mL/kg的劑量抽取1%的戊巴比妥鈉溶液，腹腔注射SD大鼠[16]，待15 min左右藥效作用，將已麻醉的大鼠放置在燙傷平臺托盤中央并去皮，分別預(yù)設(shè)當(dāng)次實(shí)驗(yàn)所需溫度、壓力和時(shí)間值，等待燙塊加熱至目標(biāo)溫度后，滑軌自動下降直至壓力值達(dá)到目標(biāo)值，燙傷開始，待預(yù)設(shè)時(shí)間倒計(jì)至零后燙塊自動上升，當(dāng)次燙傷實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

圖12 大鼠燙傷實(shí)驗(yàn)步驟簡圖

實(shí)驗(yàn)平臺壓力設(shè)置最小單位為10 g，樣機(jī)采用32細(xì)分的步進(jìn)電機(jī)，最小步距角約0.056°，且控制與電機(jī)動作存在短暫延時(shí)，所以由于電機(jī)本身?xiàng)l件限制，燙塊下壓位置無法完全達(dá)到預(yù)設(shè)壓力值位置。通過多次實(shí)驗(yàn)總結(jié)，筆者完善程序使得在實(shí)際壓力達(dá)到預(yù)設(shè)壓力的30 g誤差范圍內(nèi)時(shí)停止施壓，若想獲得更精確的壓力設(shè)定可選用定位更加精確的伺服電機(jī)。

實(shí)際實(shí)驗(yàn)中顯示真實(shí)的溫度曲線是隨時(shí)間推移而上下波動的，筆者通過10次實(shí)驗(yàn)分別記錄了不同目標(biāo)溫度下燙塊和大鼠受熱表皮的真實(shí)溫度，見表1，可以得出兩個現(xiàn)象：① 實(shí)測表皮溫度低于燙塊溫度；② 在目標(biāo)溫度值較低和較高時(shí)，燙塊和表皮的實(shí)測溫度誤差均會有所增加。第一個現(xiàn)象由于實(shí)際傳熱過程中存在熱量損失而導(dǎo)致，該誤差可以通過軟件設(shè)定補(bǔ)償目標(biāo)溫度的方式而減小。對于第二個現(xiàn)象，當(dāng)燙塊溫度第一次達(dá)到目標(biāo)溫度后，單片機(jī)會發(fā)布指令來降低加熱功率使得燙塊進(jìn)入保溫模式，該功率是以目標(biāo)溫度的大小為基準(zhǔn)通過線性關(guān)系計(jì)算出來的，由此，較低溫度下誤差較大的原因是由于保溫模式下的加熱功率設(shè)定較低而造成的，此誤差也可以通過軟件方式來進(jìn)行補(bǔ)償[17]；在目標(biāo)溫度達(dá)到100℃以后，保溫模式下計(jì)算出的加熱功率即加熱管的最大功率，此時(shí)所產(chǎn)生誤差較大的原因是由于加熱管的最大功率偏低而無法維持目標(biāo)加熱溫度而導(dǎo)致，該誤差可以通過選型時(shí)選用電阻較低的加熱管以提高最高加熱功率而降低。

表1 燙塊及表皮溫度實(shí)測數(shù)據(jù)對比表（℃）

6 結(jié)束語

本文根據(jù)海軍軍醫(yī)大學(xué)的國家發(fā)明專利（“用于動物的燒燙傷實(shí)驗(yàn)裝置”201610791887.X）進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)，該大鼠自動化燙傷的實(shí)驗(yàn)和采集平臺，基于多傳感器控制系統(tǒng)的研制，使得該燙傷實(shí)驗(yàn)相對于傳統(tǒng)的燙傷實(shí)驗(yàn)方式具備：更高的便捷性，更精準(zhǔn)的可控性，更豐富的采集接口。根據(jù)以上方案，該自動化燙傷平臺現(xiàn)已完成試驗(yàn)樣機(jī)，可供研究燙傷學(xué)方向的專業(yè)人員作為科研實(shí)驗(yàn)儀器使用。

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