麥慶軍，黃鑫，郭勇濤，林璟鴻，李結松

廣州醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院，廣東廣州510283

前言

麻醉中的小鼠在動物實驗過程中不采取任何保暖措施，小鼠表皮溫度會降低，心率增快，清醒延遲，有寒顫、躁動等生理異?，F(xiàn)象，并且容易伴隨呼吸減弱和嘔吐等癥狀，實驗中低體溫增大了麻醉恢復期意外并發(fā)癥的發(fā)生概率，會導致實驗后存活率降低［1］。隨著溫度的降低，細胞的大小形狀、分布特征和表面結構、內(nèi)部理化狀態(tài)和變形能力都發(fā)生了變化［2］。由此可見，溫度對實驗動物的影響很大。如果控制不當會影響實驗結果的可靠性和穩(wěn)定性，從而影響研究結果的精確性和可重復性，甚至引起實驗動物發(fā)生臨床疾病、死亡［3］。

目前市場上適合開展動物實驗的溫度恒定設備大多是一個封閉的金屬體，沒有開展實驗的工作平臺，不方便固定小鼠開展動物實驗。而且這些設備不能動態(tài)實時收集動物體溫數(shù)據(jù)，很難直觀完成對比分析溫度對實驗動物的影響。動物實驗中使用較為廣泛的是小鼠，其正常體溫約為37 ℃，因此制作出一款專門用于維持小鼠體溫的裝置十分重要。

1 硬件設計

1.1 系統(tǒng)框圖設計

采用熱電偶溫度傳感器分別采集加熱器溫度和被測小鼠體溫，通過PID算法產(chǎn)生脈寬控制信號，控制繼電器的通斷，從而控制加熱器的通電時間。在LCD上實時顯示加熱器溫度和小鼠體溫，同時通過藍牙模塊將數(shù)據(jù)傳輸至PC端USB接口，便于后期進行數(shù)據(jù)分析。PC端還可將加熱裝置的目標溫度以及最大溫度，通過藍牙串口傳輸至裝置的控制單元。為簡化裝置的使用，硬件上設置一個單鍵操作，按下后加熱，再次按下暫停加熱。裝置系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 裝置系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram of the device

1.2 硬件電路設計

與上述系統(tǒng)框圖對應，總體電路圖如圖2所示。

圖2 裝置電路圖Fig.2 Circuit diagram of the device

1.2.1 核心處理器核心處理器采用STM32F103C8T6，意法半導體生產(chǎn)，芯片內(nèi)核Cortex-M3，內(nèi)含F(xiàn)LASH 64 kB和RAM 20 kB，內(nèi)部自帶2個12bit ADC，37個通用I/O口，4個16bit通用定時器，2個看門狗定時器，1個24bit向下計數(shù)的滴答定時器，2個IIC接口，2個SPI接口，3個USART接口，1個CAN接口，工作電壓2.0～3.6 V，工作溫度為-40～85 ℃，系統(tǒng)時鐘最高可達到72 MHz。

1.2.2 溫度傳感器模塊本裝置使用K型熱電偶作為溫度傳感器。熱電偶是一種能量轉換器，可將熱能轉換成電能，是一種無源傳感器，測量時不需外加電源，即能將溫度信號轉化為熱電動勢信號［4］。得到電動勢差后，再通過信號轉換器轉化為被測物的溫度，溫度信號轉化模塊為MAX6675。該芯片由Maxim公司推出，具備對熱電勢信號進行放大、模數(shù)轉換、冷端補償和校正的功能。內(nèi)部自帶的溫敏二極管和檢測二極管將周圍環(huán)境的溫度轉化為溫度補償電壓，從而減少環(huán)境溫度對被測實驗動物溫度的誤差［5-6］。MAX6675簡化了電路設計，使得設備的體積減小。MAX6675主要特性和引腳說明［7-8］分別如表1、表2所示。MAX6675的引腳T-和T+分別連接K型熱電偶的正負極。測量小鼠體溫端的MAX6675芯片的SCK接STM32單片機的PA5引腳，SO接PA6引腳，CS接PA4引腳，而探測加熱器端的MAX6675芯片的SCK接STM32單片機的PB13引腳，SO接PB14引腳，CS接PB12引腳。

表1 MAX6675主要特性Tab.1 Main characteristics of MAX6675

表2 MAX6675各引腳說明Tab.2 Description of each pin of MAX6675

1.2.3 液晶顯示模塊液晶顯示模塊采用LCD12864，瑞立德生產(chǎn)的RSCG12864B，自帶中文字庫，有IIC 接口，分辨率為 128×64。 RSCG12864B 的BUSY 與STM32F103的PB7引腳相連；SCL與PB11引腳相連，SDA與PB10相連。

1.2.4 加熱模塊（1）碳纖維導電加熱片：碳纖維遠紅外電熱膜是一種以電力為能源，通電后即能發(fā)熱的半透明聚酯薄膜。它以碳纖維為發(fā)熱體，采用3 μm以下的精密印刷技術印刷在聚酯薄膜上。發(fā)熱體中的碳分子團在電場作用下產(chǎn)生“布朗運動”，碳分子之間發(fā)生劇烈的摩擦和撞擊，產(chǎn)生的熱能以遠紅外輻射和對流的形式對外傳遞，其電能與熱能的轉換率高達98%以上。碳纖維遠紅外電熱膜能夠產(chǎn)生在醫(yī)學上被譽為“生命之光”的8～15 μm的遠紅外線，易于激活細胞活性、促進新陳代謝［9］。

本裝置選取的碳纖維加熱片如圖3所示，長度約16 cm，寬度約14 cm，常溫下電阻約6 Ω。在加熱片兩極加5 V的直流電壓，在數(shù)十秒內(nèi)溫度即可達到40 ℃以上。為了增大加熱面積，便于包裹小鼠，使小鼠軀干均勻受熱，將3個加熱片并聯(lián)組合（圖4），采用螺絲固定形成一個包圍的加熱體（圖5）。

圖3 一片碳纖維導電加熱片F(xiàn)ig.3 A slice of carbon fiber conductive heating plate

圖4 組合而成的大加熱片F(xiàn)ig.4 Composed heating plate

圖5 螺絲固定的包圍加熱體Fig.5 Screw-mounted enclosing heater

（2）加熱時長控制模塊：本裝置使用1路繼電器模塊JQC-3FF-S-Z控制加熱片的加電時間，該繼電器模塊吸合電壓為5 V，最大切換電流達15 A，性能滿足設計需要。繼電器的NC引腳與電源負極接通，繼電器的IN引腳與STM32單片機的PA1接口相連。當PA1為低電平時繼電器開關閉合，高電平時則斷開，PA1端口的PWM信號控制繼電器的閉合與斷開，從而控制加熱時長。

1.2.5 藍牙通信模塊藍牙通信模塊采用HC-05藍牙模塊。HC05 是主從一體的藍牙串口模塊，工作頻段為2.4 G，通過標準的串口TTL 電平通訊，工作電壓約為3.0～3.6 V，無線傳輸距離約為10 m，發(fā)射功率為4 dBm，最高速率約為2 Mbps 且內(nèi)置PCB 天線，接收靈敏度為-85 dBm。當藍牙設備配對連接成功后，可忽視藍牙內(nèi)部的通信協(xié)議，直接將藍牙當做串口用。

（1）裝置端藍牙通信模塊：STM32的PA9連接藍牙模塊的RX 引腳，STM32 的PA10 連接藍牙模塊的TX引腳。

（2）PC端藍牙通信模塊：為方便利用PC端的USB接口進行通信，將藍牙模塊與USB轉TTL模塊連接，然后連接至PC端的USB接口。TTL端TX與藍牙（HC05）模塊RX對接，TTL端RX與藍牙（HC05）模塊TX對接，TTL端開發(fā)板+5 V與藍牙（HC05）模塊VCC對接，TTL端開發(fā)板GND與藍牙（HC05）模塊GND對接。打開串口通信軟件，設置正確波特率就可以收發(fā)數(shù)據(jù)。

1.2.6 按鍵電路按鍵開關一端與STM32F103單片機的PA1接口相連，另一端接地。

2 軟件設計

設備上電后系統(tǒng)進行初始化設置，主控芯片采集探頭溫度、加熱片溫度，并在LCD上顯示待機界面（圖6）。待機界面還顯示系統(tǒng)默認的加熱器目標溫度和最大溫度，此時電腦端可通過串口通信改變溫度默認值；若無參數(shù)改變，按下按鍵后，設備按照PID算法驅動加熱裝置達到并維持目標溫度，此時顯示加熱工作界面（圖7）：顯示實時的探頭溫度和加熱片溫度，同時設備還將溫度數(shù)據(jù)通過藍牙發(fā)送至電腦端。當再次按下按鍵時，加熱停止，系統(tǒng)返回待機界面。軟件流程圖如圖8所示，裝置端藍牙接收中斷流程圖如圖9所示。

圖6 待機界面Fig.6 Standby interface

圖7 加熱工作界面Fig.7 Working interface

圖8 軟件系統(tǒng)流程圖Fig.8 Flowchart of software system

圖9 藍牙接收中斷流程圖Fig.9 Flowchart of heating interruption based on the data received by Bluetooth

2.1 溫度傳感器模塊

MAX6675使用的是標準SPI接口，調用STM32自帶的固件庫stm32f10x_spi.h初始化STM32外設SPI和結構體，即可驅動MAX6675獲取數(shù)據(jù)。MAX6675返回給STM32的是16位數(shù)據(jù)，時序如圖10所示，其中D14-D3即為溫度數(shù)據(jù)。

圖10 MAX6675時序圖Fig.10 Sequence diagram of MAX6675

2.2 LCD顯示模塊

LCD液晶顯示器RSCG12864B使用的是標準的IIC接口協(xié)議，帶有標準的庫文件，配置好STM32的IIC協(xié)議固件庫，即可建立RSCG12864B的驅動。

2.3 碳纖維加熱模塊

加熱控制采用經(jīng)典PID算法，由于其算法簡單和魯棒性好，被廣泛地應用到工程實踐中［10-11］。PID是一個集成比例（P）、積分（I）、微分（D）的閉環(huán)控制算法。比例反映系統(tǒng)的當前偏差e(t)，系數(shù)大可以加快調節(jié)，快速減小誤差，但過大的比例使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分反映系統(tǒng)的累計偏差，使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高精度。微分反映系統(tǒng)偏差信號的變化率e(t)-e(t-1)，具有預見性，產(chǎn)生超前的控制作用，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能［12-14］。積分和微分都不能單獨起作用，必須與比例控制配合。PID算法只能保證加熱溫度在目標溫度上下震蕩，震蕩幅度可以通過調節(jié)式中KP、TI、TD3個參數(shù)予以調理。事實上沒有任何一套算法可以保證加熱溫度正好等于目標溫度而不產(chǎn)生浮動［15-18］。圖11為系統(tǒng)溫控框圖。

圖11 PID系統(tǒng)溫控框圖Fig.11 Block diagram of temperature control of PID system

本裝置對溫度傳感器每秒采樣一次，并非連續(xù)控制系統(tǒng)，采用如下的數(shù)字PID算法公式：

式中，T為采樣時間，Kp為比例增益，Ti為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)，u(k)是PID控制器的輸出信號，e(k)是給定值r(t)與測量值y(t)之差。

上式PID的輸出與過去的所有狀態(tài)有關，計算時要對每一次的控制誤差進行累加，計算量很大。對于受控的繼電器而言，并不關心PID輸出的絕對值，只需要得到增量值△u，使控制繼電器的PWM信號占空比加寬或者變窄即可［19-20］。將上式按照增量控制的思路簡化后，得到增量值△u：

其中，A=Kp×(1+T/Ti+Td/T)，B=Kp*(1+2Td/T)，C=Kp×Td/T。

PID程序流程如圖12所示，PID控制的難點不是編程，而是控制器的參數(shù)整定。經(jīng)過初步整定，先將Ki參數(shù)設為0，將Kp參數(shù)設為大于0.1，Kd參數(shù)設為小于0.1，系統(tǒng)響應平穩(wěn)且產(chǎn)生穩(wěn)定的靜態(tài)誤差；經(jīng)過反復調試最終得出Kp=0.6，Ki=0.001 5，Kd=0.05時，系統(tǒng)加熱的速度比較快且目標溫度上下浮動小于0.75 ℃，符合裝置設計要求。

圖12 PID流程圖Fig.12 Flowchart of PID

3 結果

將目標溫度設置為37.5 ℃，最高溫度設置為42 ℃。溫度與時間對應數(shù)據(jù)如表3所示，加熱溫度曲線如圖13所示。從表中數(shù)據(jù)可知，溫度從25.25 ℃室溫環(huán)境開始加熱，溫度在第4分11秒至第4分36秒之間到達目標溫度37.5 ℃，最大過沖溫度為38.25 ℃，最大過沖百分比為2%。

圖13 目標溫度為37.5 ℃的加熱溫度曲線Fig.13 Heating temperature curve with a target temperature of 37.5 ℃

表3 目標溫度與對應加熱時間數(shù)據(jù)Tab.3 Data of target temperature and corresponding heating time

4 結語

小鼠正常體溫約為37.5 ℃，本裝置能夠將目標溫度控制在上下0.75 ℃，滿足麻醉小鼠做醫(yī)學實驗的體溫控制要求。體溫數(shù)據(jù)能通過無線藍牙傳送到個人電腦中，便于后期開展實驗數(shù)據(jù)的科學分析。

雖然裝置基本達到恒溫功能，但是還存在一些不足。一是整套裝置的設計制作還比較粗糙，只能滿足實驗室的樣機使用要求。二是PID算法中的參數(shù)整合，還需要動態(tài)精準調校，以減小系統(tǒng)的響應時間，提高溫度控制的精度。下一步工作要在軟件上進一步優(yōu)化算法，硬件上進行PCB打樣和外殼設計，增加裝置的便攜性，使裝置成為成熟的實驗動物溫控設備。