一种廉价的婴儿恒温箱温度控制器的设计与开发

李文杰，李国强，李国强*
印度安得拉邦蒂鲁帕蒂，斯里文卡特斯瓦拉大学物理系。

通讯作者:S. Venkatramana Reddy，物理学系，Sri Venkateswara大学，Tirupati, Andhra Pradesh，印度。

摘要

新生儿重症监护NICU用于更好地测量温度、隔离感染、专门喂养婴儿以及防止体温过低和体温过高。NICU或培养箱由伺服控制系统，包括温度传感器，以调节培养箱的空气温度。在热电偶、热敏电阻、水银温度计、数字温度传感器(DTS)等温度传感器中，DTS比模拟温度传感器提供准确的结果。通过可编程ADT7410 DTS与PIC18F8720单片机接口，实现对婴幼儿体温的监测。该传感器测量温度准确，分辨率高，转换快。ADT7410是一款基于MEM的数字传感器，可编程用于高、低和临界温度限制。它还包括片上振荡器、Sigma-Delta调制器、温度寄存器和中断引脚。伺服控制系统以PIC单片机为核心，通过I2C协议对传感器的温度进行读写，控制辐射升温器、蜂鸣器、继电器等外围设备，并在液晶显示器上显示结果。软件程序用C语言编写，编译后生成十六进制文件。用流程图说明了系统的分步实现过程

关键字

培养箱，ADT7410数字温度传感器和PIC18F8720单片机。

介绍

早产儿非常敏感，通常会出现体温过低和过高的症状。新生儿期冷应激或低体温症可定义为体温低于36.5°C(97.6°F)。新生儿的血管肌肉反应不足以产生足够的代谢热量。对于新生儿，特别是早产儿来说，体温调节系统的不成熟使婴儿更容易受到环境温度变化的影响。随着体温下降，婴儿变得不活跃，嗜睡，低张力，吸吮不良。随着病情的发展，它会引起身体代谢的深刻变化，导致心脏功能受损、出血、黄疸和死亡。在热疗中，温度高于37.2°C(98.9°F)，这不是发烧，而是婴儿因感染微生物而体温升高。如果宝宝在保温箱里，空气温度应该降低[2]。

中性热环境是指维持婴儿正常体温所需的最低产热温度范围。这取决于出生体重，出生年龄，以及婴儿是穿衣服还是裸体[1]。为宝宝保暖的方法取决于上述因素，这可以通过各种设备来照顾，如婴儿孵化器和辐射加热器[3]。培养箱是一种用于维持适合新生儿(新生婴儿)的环境条件的设备。它用于早产或一些生病的足月婴儿[1]。辐射加热器被开发为一个“开放式孵化器”，以确保随时接触婴儿。它提供强烈的辐射热能，以维持婴儿的体温，防止冷应激[4]。为了保持婴儿腋窝温度在36.5°C到37.2°C之间，婴儿被放置在保温箱或辐射加热器[5]中。腋窝(如图1所示位置)温度即使低于婴儿的中心温度也要测量。探头方便，不受环境变化影响，不干扰x射线场，不受加热装置直接加热[2]。

在恒温箱中，婴儿的温度由传感器探测。现在许多传感器，如热电偶，热敏电阻，液体温度计和双金属条都是模拟传感器在市场[6]。由于容错控制系统能够提高复杂系统在发生故障时的可靠性和性能要求，因此容错控制在过去几年中得到了越来越多的应用。故障可能会导致系统降级或系统[7]性能不可接受。采用片上数据采集自标定数字传感器进行故障控制，需要进行新的系统设计和开发。基于MEMS的数字温度传感器具有片上ADC、快速转换和可编程等优点。它减少了误差，电缆损耗，并提供更准确的测量。ADT7410是Analog devices公司生产的基于MEMS的数字温度传感器，用于此目的，并与PIC18F8720微控制器接口。微控制器作为伺服控制系统的核心，控制培养箱的液晶显示器、键盘、继电器、蜂鸣器、传感器、加热器等外围设备。I2C (Inter-Integrated Circuit)是philips公司开发的一种同步串行通信协议，用于微控制器和外围设备之间的数据传输。 The major advantage of this interface is that it uses only two communication lines, which are bidirectional [8, 9]. The data transfer between ADT7410 Temperature sensor and microcontroller Master Synchronous Serial Port (MSSP) module takes place through the I2C bus.

硬件细节

Microchip公司推出了一款8位微控制器PIC18F8720，它是一个80引脚TQFP封装，其特点如表一所示。

PIC18F8720有9个端口(PORTA- PORTJ)， 68个引脚。微控制器的这些端口引脚与其他功能进行多路复用，将引脚减少到最小数量。微控制器中的端口设置为二进制数据传输的输出端口，设置为接收外部二进制数据的输入端口。PORTC:引脚RC3/SCK/SCL，引脚RC4/SDI/SDA用于外设到单片机的I2C通信，引脚RC6/TX1/CK1，引脚RC7/RX1/DT1用于个人计算机到单片机[10]的RS232串行通信。PORTB作为单片机到LCD的数据控制端口，PIC18F8720中的键盘、继电器、蜂鸣器和PORTD作为键盘数据输入和数据输出到LCD的双向端口。

ADT7410是一款高精度数字温度传感器，具有13位/16位可选温度到数字芯片转换器。该传感器的功能示意图如图2[11]所示。

ADT7410传感器是I2C兼容接口，快速温度转换器，临界过温指示器，精度在±0.5oC，可编程过/过温中断和ADC内部振荡器。传感器输出由sigma-delta调制器数字化，由输入采样器、求和网络、积分器、比较器和1位DAC组成。在正常模式下，ADT7410运行自动转换序列，需要240毫秒完成，结果存储在各自的寄存器中。它有两个地址行A0-A1，使用户能够在电路[11]中寻址四个不同的ADT7410传感器芯片。4 × 4矩阵键盘与PIC18F8720单片机接口，具有启动，停止，最小，最大，复位，数字0-9可选按钮，使系统在特定的温度条件下进行控制和维护。键盘通过锁存器74LS273[12](行)和缓冲区74HC244[13](列)连接到PIC18F8720的PORTD。

功能键通过PORTB引脚RB5和RB7通过扫描方式控制。微控制器从键盘读取数据并发送ASCII字符显示在20x4字符LCD上。数据传输到LCD是通过PORTD，并通过PORTB引脚RB1和RB3启用。继电器通过AND门连接到ADT7410 INT和CNT引脚以控制辐射加热器，蜂鸣器连接到INT引脚以指示温度过高/过低。所有的详细接口如图3所示。

软件详细信息

MPLAB IDE是一个软件程序，提供了一个单一的集成开发环境来生成十六进制代码，并运行在个人计算机上开发PIC18F8720微控制器[7]的应用程序。MPLAB IDE提供了使用内置编辑器创建、编辑源代码、组装、编译和链接源代码的功能，如图4所示。用C语言编写了培养箱温度测控系统软件程序，并编译生成十六进制文件。十六进制文件通过RS232电缆从PC通过PIC ISP串行下载软件下载到PIC单片机。复位单片机的CPU后，程序开始执行。

ADT7410数字温度传感器是一种可编程的过/过和临界温度中断，通过配置寄存器中的8位数据来激活。当R/W位为“0”时，高温、临界和低温由主控制器通过I2C协议写入从设备。当温度转换在ADT7410传感器中完成时，值被临时存储在温度寄存器中，直到下一次转换完成。当R/W位为“1”时，主机从从传感器的温度寄存器读取当前温度数据。13位分辨率的温度数据格式见表二。

在软件编程中，将13位的当前温度数据转换成ASCII码显示在LCD上。不需要控制辐射加热器的附加程序，因为CT和INT引脚用它们的逻辑控制继电器和辐射加热器。表III给出了具有地址和开机默认值的寄存器。

数字温度传感器的控制和婴儿保温箱在高低温条件下的运行由继电器控制。系统的分步过程如图5所示的流程图所示。

操作

将程序从PC下载到单片机后，按下复位按钮，使进程开启。端口D初始化为输入端口，用于扫描键盘上的数据，同时作为输出端口，用于在LCD上显示数据。最初按下键盘上的Max按钮，输入婴儿体温维持的最高温度值，最高温度值为两位小数和两位小数。该值存储在ADT 7410传感器的THigh和TCric寄存器中，以比较当前转换温度值的最高超/临界温度。通过按min按钮输入最低温度值，存储在TLow寄存器中，用于低于温度，并与当前转换温度值进行比较。大腿和TLow显示在LCD上，程序温度十进制值转换为13位数字代码，并通过I2C总线传输到ADT7410传感器。ADT7410通过在配置寄存器[11]中放置0x3E代码，配置为三种模式，比较器模式，一次转换和13位分辨率。

婴儿应在中性热环境中喂养，核心体温应在36.5 - 37.2摄氏度之间，取决于婴儿的体重。分别测量婴儿体重后放入保温箱。现在按下键盘上的启动按钮，监测培养箱和婴儿身体各个部位的温度。主控制器PIC18F8720通过I2C总线将高、临界和低温限制数据传输到从传感器ADT7410。控制辐射加热器，CT和INT引脚的逻辑电平在表IV中给出。

模拟与结果

ADT7410配置了一个镜头模式温度转换，因此它在240毫秒转换每个样品。传感器当前转换温度值与高温和低温限制进行比较，如果发现大于大腿和TCric限制，则INT, ADT7410中的CT引脚进入高状态，继电器位置切换到OFF辐射加热器，蜂鸣器哔哔声指示警告，直到达到低温限制。如果当前温度小于TLow限制，则只有INT引脚进入高状态，继电器位置切换到辐射加热器上，蜂鸣器哔哔声表示警告，直到达到高温限制。图6显示了当超过/低于温度限制达到时，ADT7410传感器辐射加热器的ON-OFF操作。该过程持续监测婴儿在良好环境下的健康恢复情况。

将采用ADT7410传感器的系统与采用LM35模拟温度传感器的系统进行了性能比较。加热器和传感器之间的距离保持20厘米为固定距离，每一秒记录一次温度。暖器和传感器之间的空气扰动是由12伏直流风扇引起的，从而由传感器测量空气温度的波动。传感器在一分钟内的性能如图7所示。

红色线为LM35传感器的温度剖面，蓝色线为ADT7410传感器。从图中可以看出，两个传感器的响应时间都很好，但与LM35相比，ADT7410更可靠。ADT7410数字传感器的传感器之间仅存在几秒的变化，响应时间较好，其片上数据采集速度更快。芯片上的ADT7410传感器很容易测量温度的微小波动，而且分辨率也很高。实验结果表明，采用ADT7410传感器设计的婴儿培养箱可用于新生儿健康监测。传感器的准确性使儿科医生采取必要的医疗措施，以保护婴儿免受污染物和感染。

结论

数字温度传感器ADT 7410是一种快速的片上数字温度转换器，转换速率为6毫秒，60毫秒为1个SPS(每秒1个样品)，240毫秒为正常转换。通过观察和测试，我们注意到ADT 7410具有良好的响应，比温度计和热敏电阻更快，并且是一个容易初始化临界温度极限的过程。将该传感器实时应用于培养箱中，避免了PID控制。利用ADT7410数字温度传感器的超低温限制，通过软件编程产生中断，实现了对辐射加热器的控制。辐射加热器响应ADT7410传感器的INT和CT中断，这对控制婴儿体温很重要。这有助于将培养箱保持在有利于婴儿健康的温度。在±0.50C测量精度更高的数字温度传感器优于热敏电阻或热电偶。通过这种数字测量，可以消除电缆损耗。

AKNOWLEDGEMENT

作者非常感谢美国模拟设备制造公司提供的ADT7410传感器的免费样品。

参考文献

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