(首都醫(yī)科大學附屬北京中醫(yī)醫(yī)院，北京 100010)

0 引言

醫(yī)療技術的發(fā)展和進步推動了醫(yī)學治療模式的多樣化，物理治療、免疫治療及心理治療等療法目前已經(jīng)成為了醫(yī)療領域的主要生物輔助療法，特別是物理療法憑借其安全、便捷的治療方式，受到了廣大患者的喜愛和認可[1-3]。近年來，理療技術和理療療法在臨床醫(yī)學上獲得了較大的突破，在現(xiàn)代醫(yī)學領域所發(fā)揮的作用也越來越突出。長期以來，理療技術在臨床醫(yī)學及其應用上大致包括了放射線治療、物理治療及后續(xù)康復等三個不同的治療階段，特別是近些年隨著激光、紅外技術的發(fā)展[4-5]，紅外理療設備的應用得到了快速的推廣，客觀上推動了理療醫(yī)學技術的進步。當前醫(yī)療市場中的理療機器設備與傳統(tǒng)生物治療結合度不夠緊密，而紅外理療儀器的出現(xiàn)填補了諸多理療治療領域的空白，更能夠較好地與我國傳統(tǒng)的中醫(yī)技藝相結合。術后護理與輔助治療對于患者的康復具有特別重要的意義，在患者的后續(xù)康復過程中，紅外理療儀的所發(fā)揮的作用是十分積極的，因為紅外線具有超強的穿透治療效果和能力，可以穿透衣物和皮膚而直接地作用于患者的肌肉與皮下組織，依托于紅外線的熱導效應而達到加速患者血液循環(huán)，提高新陳代謝的目的。傳統(tǒng)紅外理療儀器的溫度控制多采用人工調(diào)節(jié)與控制的方式，通過醫(yī)生與患者的實時溝通而進行溫度的調(diào)節(jié)，但這種調(diào)節(jié)方式存在一定的風險，容易導致患者被燙傷。激光紅外脈沖技術的發(fā)展和進步，促使脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術被越來越廣泛地應用于控制領域[6-7]，本文設計了一種基于PWM的紅外理療儀實時溫度控制系統(tǒng)，能夠依據(jù)人體的最為適宜溫度而實現(xiàn)對紅外理療設備溫度的智能調(diào)控，提高理療技術的治療效果。

1 PWM紅外溫控原理

在患者的康復過程中，要想充分發(fā)揮出物理治療的效果，就需要提高紅外理療儀器的溫度調(diào)控精度，實現(xiàn)其智能化的操作。紅外理療儀器溫度調(diào)控系統(tǒng)的性能會直接影響儀器的治療效果和節(jié)能效果，紅外理療儀器的溫度控制系統(tǒng)的基礎元件之一是發(fā)熱電阻絲，電流通過時會產(chǎn)生熱量，而電氣元件的工作狀態(tài)是通過智能芯片的調(diào)整加以控制。當電流通過時發(fā)熱電阻絲時溫度就會升高，這時可以通過智能溫度控制芯片實現(xiàn)對溫度的實時調(diào)控，用微分方程的演化模式描述控制系統(tǒng)的溫度調(diào)控值W(t)，可以表示為：

(1)

將上式改寫為模糊遞推公式：

Wn=Wn-1+

(2)

其中：λ為比例系數(shù)，en-1和en分別為第n-1和第n的采樣偏差量、T為信號采樣周期、TI和TD分別積分時間與微分時間。紅外理療儀器實時溫度控制過程是一個溫度反饋與調(diào)節(jié)過程，患者的體感溫度與設定溫度之間存在差別，而PWM技術通過對儀器微處理器的精準控制，而實現(xiàn)對溫度偏差的處理?；赑WM技術調(diào)整控制信號，在準確性和溫控時間的把握方面都具有優(yōu)勢，通過調(diào)節(jié)脈沖的寬度的方式將PID位置控制中的模擬量Wn轉化為連續(xù)的時間控制變量[8-9]。這一過程不僅簡化了傳統(tǒng)PID控制的難度，還可以自由實現(xiàn)紅外理療儀器溫控系統(tǒng)電流的連接與斷開，PWM通過紅外信號實現(xiàn)對溫度控制的原理，如圖1所示。

圖1 基于PWM技術的溫控原理

PWM對紅外理療儀的溫控控制過程共分為三個階段，第一個階段為對電阻絲的加熱階段，加熱周期由定時器控制，在整個溫度升高的階段都設置為高電平，使溫度盡快達到既定的閾值范圍。第二個階段為PWM控制階段，設定溫度與人體溫度之間的差值，可以通過PWM信號調(diào)節(jié)與智能PID算法共同實現(xiàn)。以此時的溫度作為溫度調(diào)節(jié)時間控制的初始溫度，如果達到既定的時間之后系統(tǒng)就調(diào)整至低電平停止加熱。在溫度調(diào)控的初始階段，儀器的實際溫度值與目標溫度值相差較大時，模擬量Wn的初始溫度較低，此時基于PWM技術迅速對溫控閾值[10]進行調(diào)整，此時電阻絲加熱信號所占的空就較大；隨著溫度的不斷升高，模擬量Wn的值會越來越大，這時通過PWM紅外信號調(diào)整電阻絲的溫度，所占的空會越來越小，僅利用余溫就能夠達到適宜的溫度。在溫控期間可以通過PWM技術實現(xiàn)對紅外信號的自由調(diào)節(jié)，進而完成對紅外理療儀器溫度控制系統(tǒng)的自由調(diào)節(jié)，如果溫度接近了人體承受范圍的界限，溫度控制系統(tǒng)就會發(fā)出指令停止加熱。但這時的加熱過程并未完成，余溫還會繼續(xù)對控制系統(tǒng)加熱，但不會由于溫度過高而對患者造成損傷。當溫度達到溫控閾值溫度值，基于PWM技術的溫控系統(tǒng)，會將溫度恒定在一定范圍之內(nèi)，一旦儀器的溫度有所降低，PWM信號又會發(fā)出指令，這時溫控系統(tǒng)又會重新對儀器進行加熱。PWM技術實現(xiàn)了對原有PID控制方法的有效補充，從而獲得更好的溫度控制效果?；赑WM紅外智能溫控原理，文章設計了紅外理療儀器的硬件結構和軟件實現(xiàn)流程，能夠給理療患者帶來更好的治療體驗和治療效果。

2 基于PWM溫控系統(tǒng)硬件設計

基于PWM的紅外理療儀器實時溫控系統(tǒng)硬件結構，主要由AT89S80單片機微處理器、DD1852溫度傳感器、數(shù)碼顯示器、信號控制模塊、直流穩(wěn)壓電源、加熱器等模塊構成，如圖2所示。

圖2 基于PWM的紅外儀器溫控系統(tǒng)硬件結構

當紅外理療儀器溫控系統(tǒng)啟動之后,DD1852溫度傳感器讀取初始的測量溫度，并與患者的人體適宜溫度進行比較，將對比信息送達了顯示裝置?；赑WM技術設計的信號控制模塊可以實現(xiàn)對溫度的智能調(diào)節(jié)與控制。模擬溫度傳感器電路以數(shù)字信息的形式將人體的實時溫度傳輸至AT89S80單片機微處理器，單片機系統(tǒng)再結合現(xiàn)場的初始溫度與人體的適宜溫度，設定最優(yōu)的溫度控制閾值。PWM的優(yōu)勢在于能夠與傳統(tǒng)的模糊PID算法兼容，在最短的時間內(nèi)計算出實時的溫度控制量，當紅外理療儀器的實時溫度過高或過低時，可以通過PWM紅外信號調(diào)整電阻絲的溫度，以確保紅外理療儀器恒定在一個最為適宜的溫度。

AT89S80單片機微處理器以此溫度閾值作為溫度控制的標準，脈沖寬度調(diào)節(jié)的優(yōu)勢在于能夠充分利用紅外光的脈沖寬度及穩(wěn)定性，準確地提取標的物的溫度變化信息，并將信息傳遞到單片快速的做出溫度調(diào)控指令，并確定出加熱的時間長度。由于系統(tǒng)選用的加熱方式為可控硅智能控制，加熱靈敏且反應速度較快，當溫度達到既定的閾值后實現(xiàn)系統(tǒng)的恒溫運行。溫控系統(tǒng)在停止加熱后會存在一個自然冷卻的過程，基于PWM的溫度傳感器模塊會實時監(jiān)控紅外理療儀器的溫度變化，并做出相應的控制調(diào)整，隨時開啟加熱系統(tǒng)避免溫度下降得過快而影響理療效果。單片機在溫度實時調(diào)控中需要不斷地調(diào)整各個信號參量的變化，以提高系統(tǒng)顯示的準確性和及時性?？刂茰囟葌鞲衅鞯闹悄苄酒吞枮镈S18B52基于紅外信號的輸出強度進行溫度信息的讀寫，該控制芯片具有低功耗、抗干擾能力強、結構簡單的優(yōu)勢，并能夠基于采集到的脈沖寬度而決定電平的高低分布。溫度控制傳感器的接口連接一個光耦三級管，控制發(fā)熱電阻絲的工作狀態(tài)。當接口的電平較低時由于光耦處于關閉的狀態(tài)，這時電阻絲就會停止加熱；當接口的點評較高時，光耦打開電流會持續(xù)地給電阻絲加熱。

溫度測量及轉換模塊是紅外理療儀器溫度控制系統(tǒng)的核心模塊之一，也是整個測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)的重要來源，對于系統(tǒng)的可靠性會產(chǎn)生極其重要的影響。傳統(tǒng)的測量方式主要是將獲取到的溫度數(shù)值轉化成電信號，在通過單片機控制電信號的方式，實現(xiàn)對溫度的實時調(diào)整，這種模式的不足在與對于溫度的控制精度不高；而基于PWM的溫度控制系統(tǒng)原理為基于紅外光提取人體的實時的溫度信息，實現(xiàn)溫度與紅外光信號的之間的自由轉換，這種模式下提取的溫度數(shù)值精度更高，也更有助于單片機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，提高了溫度控制的穩(wěn)定性。本文選用的單片機處理器和溫度傳感器均采用了兼容性和可靠性更高的一線總線接口，溫度測量的幅動范圍更大，DS18B52芯片為3引腳結構、電池供電，穩(wěn)定性更高。AT89S80單片機微處理器集成了PWM技術，通過對紅外波形的控制而實現(xiàn)對是否加熱的智能調(diào)節(jié)，而達到自由控制溫度的目的，系統(tǒng)溫度加熱控制過程中的電路控制，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)加熱模塊電路圖

紅外理療儀器的溫度控制系統(tǒng)下位機控制芯片為AT89S80，是上位機選用PC機以提高系統(tǒng)的溫度控制性能。這種配合方式也有助于上位機和下位機之間的數(shù)據(jù)傳輸和配合。兩者之間的接口模式為串行通信，以更為便捷和快速地實現(xiàn)溫度的控制及當前溫度的控制與顯示。首選的熱電阻材料型號為PT200，靈敏性較高，溫度傳感器采集到紅外光信號后將信號傳輸?shù)搅藛纹瑱C系統(tǒng)，加入PWM技術后整個信號的轉換過程的耗時更短，因為控制PWM波的輸出占空比要比傳統(tǒng)電信號控制更容易實現(xiàn)，且準確率能夠得到保證。此外，基于PWM的紅外理療儀器實時溫度控制系統(tǒng)的電源選用直流穩(wěn)壓電源，可以滿足系統(tǒng)持續(xù)工作的需要，而系統(tǒng)另外配備的看門狗模塊及E2prom模塊，也能夠?qū)崟r地監(jiān)控主控芯片的工作穩(wěn)定性。

基于紅外溫控系統(tǒng)硬件結構的特點，本文設計了一套軟件控制流程，溫度控制系統(tǒng)軟件設計流程包括上位機控制和下位機控制兩個組成部分，協(xié)同實現(xiàn)對紅外理療儀溫度的精準控制。

3 軟件控制流程的實現(xiàn)

基于PWM的紅外理療儀器實時溫度控制系統(tǒng)的軟件控制流程，主要通過上位機管理系統(tǒng)向系統(tǒng)發(fā)出各項指令，溫控系統(tǒng)的上位機管理軟件基于WINDOWS10平臺和C++6.0語言開發(fā)，并通過下位機系統(tǒng)執(zhí)行各項指令，最終的溫度控制顯示數(shù)據(jù)以圖形或其他變化曲線的方式予以顯示。而下位機軟件系統(tǒng)的設計主要涵蓋了采樣程序的設計、PWM波形控制設計及PID職能控制算法設計等，主程序控制流程，如圖4所示。

圖4 基于PWM的主程序控制流程

基于PWM技術的系統(tǒng)軟件控制模式是通過軟件定時器來實現(xiàn)的，定時器的始終周期與紅外波長的變動周期相關，紅外脈沖周期的調(diào)制依據(jù)定時器的工頻確定，基本周期確定為20毫秒。PWM紅外波長的周期通常確定為4秒，再基于模糊PID算法得到一個浮動的閾值范圍，將時鐘周期調(diào)整為整數(shù)進行控制。當初始的時間周期達到12毫秒時，單片機微處理器輸出指令，電阻絲開始加熱，每2毫秒衰減一次指導引腳輸出了低電平，如此循環(huán)反復便能夠產(chǎn)生控制溫度的PWM波。當智能溫度控制系統(tǒng)的加熱模塊開始工作時，PWM波可以按照人體溫度的變化而持續(xù)地發(fā)生變化，這種熱量的輸出是非線性的，因此難以構建一種有效的輸出模型，紅外波長具有十分靈敏的熱感效應，這樣就有效彌補了模糊PID算法的固有缺陷，實現(xiàn)了對算法參數(shù)的智能化調(diào)整。以PWM波的溫度控制誤差變化率作為模糊PID算法的輸出變量，再經(jīng)過反復的模糊推理實現(xiàn)了溫度輸出曲線的修正，從而也就穩(wěn)定的算法的輸出信號。

AT89S80單片機微處理器在實現(xiàn)溫度的控制中用兩個8位存儲器讀取溫度數(shù)值，對這兩組數(shù)值分別編號為0和1，如果0號溫度存儲器的溫度值為負值，則能夠推出存儲器中的8位存儲值均為0，否則全為1。在對所有的二進制溫度值進行轉化時，其轉化過程可以如圖5所示。

圖5 基于PWM的溫度控制過程描述

如果單片機微處理器在t0時刻將點平從高位降至低位，這時溫度控制模塊的溫度適中恒定，如果超出了閾值范圍并產(chǎn)生的信號讀寫的時間間隙，再從較低的電平位置調(diào)整到較高的電平位置，完成對紅外理療儀器溫度控制系統(tǒng)的自由切換?；赑WM技術進行溫度的實時控制中，對于PID算法的參數(shù)調(diào)整是核心的操作步驟，依據(jù)控制模型的特性調(diào)整積分時間、微分時間和比例系數(shù)，如果設Wk為第k次采樣結果，此時對PID算法的參數(shù)進行智能調(diào)整：

Wk=λpe(k)+

(3)

其中：λi和λd分別為微分比例系數(shù)和積分比例系數(shù)，具體表示為：

(4)

通過PWM技術調(diào)整模糊PID算法的比例系數(shù)的方法，在準確度方面能夠得到保證，因為紅外波長對于溫度的敏感度更高，可以在更短的時間內(nèi)對紅外理療儀器的實時溫度實施精準的控制，以達到提高理療效果的最終目的。

4 實驗結果與分析

4.1 系統(tǒng)調(diào)試工作

在驗證提出基于PWM的紅外理療儀器溫度控制系統(tǒng)有效性之前，首先需要進行溫度控制系統(tǒng)的相關調(diào)試工作，主要包括以下3個方面的準備工作：

(1)調(diào)試算法的相關控制參數(shù)。

(2)對溫度控制系統(tǒng)進行硬件檢測。

(3)做好突發(fā)事件的應急預案。

基于PWM的紅外理療儀器溫度控制溫度控制系統(tǒng)電阻值與理論檢測溫度的對比，如表1所示。

表1 Pt電阻值與系統(tǒng)檢測溫度對比

4.2 溫度控制結果及信號傳輸幅值對比

采用文中提出的基于PWM的紅外理療儀器實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計(A)與傳統(tǒng)半自動溫度控制系統(tǒng)(B)進行對比，分析兩種測溫系統(tǒng)設計下與理論溫度值的差距，具體的對比結果，如表2所示。

表2 理療儀器實時檢測溫度控制精度對比

鑒于PWM的紅外光技術對于人體的溫度變化更為敏感，從圖6與圖7中兩種系統(tǒng)設計的溫度控制結果對比來觀測和分析，基于PWM的紅外理療儀器實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計的溫度值提取更為準確，平局偏差低于1.36%。這主要是由于PWM的紅外光技術的信號幅值變化相對與傳統(tǒng)的電信號幅值變化更為敏感，因此對溫度控制的反應速度更快，兩種系統(tǒng)設計的信號采集幅值變化，結果如圖6和圖7所示。

圖6 基于PWM技術的信號提取結果

PWM紅外溫控信號在敏感性和穩(wěn)定性表現(xiàn)方面具有顯著優(yōu)勢，如圖6所示，實驗提取的紅外信號幅值能夠被穩(wěn)定地控制±1.5之間，而且在PWM技術的控制下，紅外信號幅值分布符合標準的正態(tài)分布曲線，曲線的總體變化范圍更大，在±2.0之間，能夠保證信號輸出的效率和穩(wěn)定性。

圖7 傳統(tǒng)基于電信號數(shù)值提取結果

而傳統(tǒng)電信信號在輸出穩(wěn)定性方面，相對于紅外PWM紅外溫控信號表現(xiàn)更差，信號幅值出現(xiàn)了較大的波動，最弱信號浮動范圍在±0.7之間，電信號的幅值變動也非正態(tài)分布，這些因素最終導致了實時溫度控制準確性表現(xiàn)不均衡。經(jīng)過上述實驗數(shù)據(jù)的驗證可知，提出的基于PWM的紅外理療儀器實時溫度控制系統(tǒng)，在溫度控制穩(wěn)定性和準確性方面具有明顯優(yōu)勢，能夠獲得更好的治療體驗和治療效果。

5 結束語

目前理療療法已經(jīng)成為現(xiàn)代醫(yī)學的主要輔助治療手段之一，隨著治療技術的不斷提高對于理療儀器溫度智能化控制要求不斷提高，不僅能夠提高理療輔助治療的效果，更能夠最大限度地保證患者的安全。由于傳統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)設計在響應時間、溫度控制精度等方面都難以滿足現(xiàn)代醫(yī)學的要求，為此本文基于PWM紅外調(diào)控技術利用脈沖寬度的實時調(diào)節(jié)而實現(xiàn)對溫度的精準控制。介紹了PWM紅外調(diào)控的工作原理、硬件構成和軟件實現(xiàn)流程，重點分析了AT89S80單片機微處理器和智能溫度控制模塊的功能。在軟件流程的設計方面重點分析了調(diào)制頻率及溫度控制的實現(xiàn)流程，并介紹了基于PWM技術的模糊控制過程。實驗數(shù)據(jù)也證明了基于PWM技術的溫度控制系統(tǒng)設計的紅外信號提取效果更好，溫度控制閾值更接近于理論值。