基于STC單片機(jī)的智能化病房溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 裴，劉 慧，李滿堂，朱 莉，王換換

(1.徐州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院 信息處，江蘇 徐州 221002； 2 徐州醫(yī)科大學(xué)，江蘇 徐州 221000)

0 引言

醫(yī)療水平的快速發(fā)展使得人們對醫(yī)院整體環(huán)境質(zhì)量提出了更高要求，尤其是病房區(qū)的條件配置，是影響病患病情恢復(fù)的重要因素。而溫濕度等作為病房環(huán)境重要組成因素，如何對其進(jìn)行有效控制，并減少溫控系統(tǒng)資源浪費(fèi)，是當(dāng)前病房溫控系統(tǒng)建設(shè)面臨的主要問題。

據(jù)調(diào)研，相似氣候條件下，與發(fā)達(dá)國家相比，我國單位面積建筑所消耗的熱量要高出1～2倍。據(jù)研究，在國內(nèi)供暖系統(tǒng)中，大型供暖系統(tǒng)的節(jié)能潛力平均約為12.5%，造成能源浪費(fèi)的主要原因包括建筑保溫性能差、熱計(jì)量方法不合理，室溫調(diào)節(jié)機(jī)制不完善等[1-2]。

對于溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，科研人員已經(jīng)開展了多項(xiàng)研究。并根據(jù)溫度控制目標(biāo)的不同，分為動態(tài)溫度跟蹤與恒值溫度控制，在工業(yè)化工生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及室溫控制等方面均有涉及[3-5]。在已開展的各項(xiàng)研究中，研究人員提出的PID控制算法[6-7]、智能溫度控制法[8-9]、基于模糊邏輯描述的控制算法、模糊PID溫度控制技術(shù)[10-11]等常用于工業(yè)化工生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及數(shù)學(xué)模型構(gòu)建等，對于醫(yī)院病房溫度控制的研究相對較少。同時(shí)由于現(xiàn)有部分病房溫控系統(tǒng)分辨率與精度低、管理人員水平有限、系統(tǒng)智能化程度不足，導(dǎo)致病房溫控效果并不理想。

在國外，學(xué)者對溫控系統(tǒng)及室內(nèi)溫控裝置進(jìn)行了較多研究，Monetti等使用Energ- yPlus[12]軟件對某住宅使用散熱器溫控閥使供暖能耗進(jìn)行動態(tài)仿真模擬，使節(jié)能效果提升2%～10%；Tahersima[13]等利用散熱器溫控閥的基礎(chǔ)上提高了維護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能，供暖能耗下降50%；Baek[14]等設(shè)計(jì)了一種基于模糊目標(biāo)溫差的水利地板輻射采暖自適應(yīng)室外復(fù)位控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠確定熱量供應(yīng)時(shí)間和開關(guān)時(shí)間，且系統(tǒng)具有有效性。

在國內(nèi)，宋春寧[15]等提出了基于ADHDP的PEMFC溫度控制方法，利用Matlab/ Simulink仿真平臺設(shè)計(jì)溫度控制器，使電堆溫度超調(diào)量僅為0.59%，小于HDP的0.94%；竇子文等[16]設(shè)計(jì)了基于前饋-反饋符合控制的光學(xué)晶體溫度調(diào)節(jié)器，通過引入雙閉環(huán)控制的前饋補(bǔ)償控制，并基于ARM+FPGA架構(gòu)的TEC驅(qū)動模塊，實(shí)現(xiàn)高頻、高精度的PWM驅(qū)動控制，使系統(tǒng)的精度可控制的寬溫范圍在-30 ℃～130 ℃；宋佳良等[17]對一種具有室溫居里點(diǎn)的新型PTC材料PID控溫性能展開研究，降低了溫度超調(diào)，提高了控溫精度。

學(xué)者對溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開展了較多研究，但適用于病房的溫控系統(tǒng)卻少有研究，因此該文設(shè)計(jì)了一種基于STC單片機(jī)[10]的智能化病房溫控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用溫濕度傳感器以及CO2濃度傳感器對病房溫濕度及CO2濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，通過LCD1602顯示屏顯示。在病房溫度調(diào)整過程中，可通過PID算法[11]的參數(shù)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)病房溫度的自控制，也可利用下位機(jī)通過UART串口通信將數(shù)據(jù)傳輸至PC上位機(jī)系統(tǒng)中，管理員根據(jù)醫(yī)院需要更改病房溫度閾值，調(diào)整病房區(qū)域溫度，病患也可通過室內(nèi)控制器進(jìn)行調(diào)整，確保溫控系統(tǒng)的靈活性。該系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)對于提高溫控調(diào)節(jié)器靈活性、降低醫(yī)院資源消耗、提升病患入院診療滿意度具有重要幫助。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)由軟件部分和硬件部分組成，具體執(zhí)行流程如下：

溫濕度傳感器DHT11對病房實(shí)際溫濕度進(jìn)行監(jiān)測，CO2傳感器、CO傳感器等獲取病房內(nèi)各種氣體濃度，數(shù)據(jù)通過接口及時(shí)上傳至單片機(jī)中。

單片機(jī)對收到的溫濕度、一氧化碳、二氧化碳等數(shù)據(jù)后，進(jìn)行分析與處理；同時(shí)對溫度、濕度的具體值以及CO和CO2的濃度進(jìn)行分析，并通過LCD1602顯示屏展示當(dāng)前溫濕度等的值。

對于所監(jiān)測的各項(xiàng)參數(shù)，通過單片機(jī)中獨(dú)立的鍵盤模塊，對溫濕度的閾值進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)溫濕度及各類氣體監(jiān)測值超過限值時(shí)，蜂鳴器模擬的報(bào)警系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)。警報(bào)出現(xiàn)后，模擬的控溫系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)以及通風(fēng)系統(tǒng)將根據(jù)報(bào)警值自動調(diào)節(jié)，直到數(shù)值恢復(fù)到正常范圍。

在上述過程中，單片機(jī)通過UART串口通信將傳感器監(jiān)測到的溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送至PC端，上位機(jī)將數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫中，并通過相關(guān)技術(shù)繪制溫濕度的實(shí)時(shí)曲線。

1.1 系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需首先保證相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)要求，及相關(guān)硬件的使用要求，參數(shù)具體范圍如表1所示。

表1 單片機(jī)相關(guān)參數(shù)參考范圍

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)分析

為確保基于STC單片機(jī)的智能化病房溫控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測病房溫濕度，檢測病房CO2等氣體濃度，靈活控制病房溫濕度，保證病患住院舒適度，該溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需實(shí)現(xiàn)以下幾點(diǎn)目標(biāo)。

1)實(shí)時(shí)性：由于病房存在長時(shí)間不通風(fēng)狀態(tài)，尤其是較為寒冷的冬季，會導(dǎo)致室內(nèi)有害氣體濃度上升，對室內(nèi)人員造成危害；同時(shí)為確保病患舒適度提高疾病恢復(fù)速度，需控制室內(nèi)溫度在設(shè)定閾值范圍內(nèi)，因此，該溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需具備實(shí)時(shí)性。

2)高分辨率、高精度：長時(shí)間不通風(fēng)狀態(tài)下易產(chǎn)生CO2氣體，對病房人員造成不良影響。對此，需要具有高分辨力和高精確度的檢測設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對有害氣體的檢測和記錄，當(dāng)濃度接近閾值時(shí)，下位機(jī)產(chǎn)生預(yù)警信息，通過無線傳輸至上位機(jī)系統(tǒng)，蜂鳴器警報(bào)，確保病患安全。

3)靈活性：通常病房溫濕度的控制由醫(yī)院溫控系統(tǒng)統(tǒng)一管理，但由于病房類型和病患需求的不同，要求溫控系統(tǒng)具有一定的靈活性，保證病患或病區(qū)醫(yī)生能夠自主設(shè)定溫濕度閾值，加快病患病情恢復(fù)速度。

1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)分析

為實(shí)現(xiàn)該溫控系統(tǒng)的預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，在該病房溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中需實(shí)現(xiàn)以下功能：

1)系統(tǒng)各功能模塊獨(dú)立運(yùn)行，當(dāng)模塊出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，上位機(jī)控制端具備錯(cuò)誤追蹤能力，能夠快速定位錯(cuò)誤點(diǎn)，加快系統(tǒng)恢復(fù)進(jìn)程，降低系統(tǒng)故障影響。

2)對于病房的溫濕度等環(huán)境參數(shù)，系統(tǒng)具備對病房溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測功能，同時(shí)能夠滿足病患和管理人員的靈活自調(diào)整需求。

3)當(dāng)病房溫濕度及有害氣體超出設(shè)定的溫濕度與氣體濃度限值時(shí)，系統(tǒng)具備報(bào)警功能，當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)，能夠及時(shí)提醒管理員進(jìn)行調(diào)整，提升醫(yī)護(hù)人員處理速度，提高病患入院診療滿意度。

1.4 系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的基于STC單片機(jī)[18]的智能病房溫控系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)原則，將系統(tǒng)分為主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理展示模塊、串口通信模塊以及自動控制模塊，各模塊功能如下。

1)主控模塊：該模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)的整體運(yùn)行，提供下位機(jī)終端設(shè)備與各傳感器的控制功能，并通過中央處理器CPU、程序存儲器RAM、數(shù)據(jù)存儲器ROM、多種I/O口和終止系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及UART串口通信與各模塊進(jìn)行通信，保證硬件系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2)數(shù)據(jù)采集模塊：數(shù)據(jù)采集模塊包含溫濕度采集板塊和氣體監(jiān)測模塊，由DHT11傳感器、CJMCU-MiCS-6814傳感器以及T6713-5K傳感器組成，可利用主控模塊將傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器將傳輸?shù)碾妷盒盘栟D(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后在LCD屏顯示。

3)串口通信模塊：該模塊是單片機(jī)將檢測到的數(shù)據(jù)值發(fā)送到PC端的重要通道。

4)自動控制模塊：該模塊是當(dāng)溫濕度和相關(guān)氣體濃度超過既定閾值，蜂鳴器開啟報(bào)警，溫控板塊、加濕板塊以及通風(fēng)板塊自動工作調(diào)節(jié)溫濕度至正常范圍。

圖1 系統(tǒng)電路圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

病房溫控系統(tǒng)由主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理與顯示模塊、串口通信模塊以及自動控制模塊組成。整體系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

2.1 主控模塊

主控模塊作為下位機(jī)核心單元，需保證下位機(jī)端各模塊穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)中采用基于8位單片機(jī)處理芯片STC89C51RC系統(tǒng)的STC89C51單片機(jī)，該單片機(jī)基于51核心板，作為8051核的ISP可編程芯片，最高時(shí)鐘頻率為80 MHz，內(nèi)含4 k Bytes的可反復(fù)擦寫一千次，F(xiàn)lash只讀程序存儲器，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片集成通用8位中央處理器、ISP Flash存儲單元以及MAX810專用復(fù)位電路(外部20 M以下時(shí)，可省外部復(fù)位電路)。

CPU結(jié)構(gòu)采用流水線和簡化的指令集和，工作電壓為5 V，時(shí)鐘頻率為0～35兆赫茲，正常工作時(shí)電壓為48兆赫茲，應(yīng)用程序存儲空間為12 k、10 k、8 k、6 k、4 k、2 k Byte，隨機(jī)存取存儲器為512字節(jié)，EEPROM以512字節(jié)為一個(gè)扇區(qū)，起始地址為Flash+1(0×2 000)，有23或27個(gè)通用I/O口，電壓幅為之后準(zhǔn)雙向口可設(shè)置成準(zhǔn)雙向口/弱上拉、推挽/強(qiáng)上拉、僅為輸入/高阻以及開漏4種模式，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，當(dāng)外部晶體晶振低于20兆赫茲，外部復(fù)位電路省略不用。時(shí)鐘源部分，外部有高精度晶體，內(nèi)部采用R/C振蕩器。常溫下內(nèi)部R/C振蕩器頻率為5.2～6.8兆赫茲。

本次設(shè)計(jì)中，單片機(jī)選用PDIP封裝方式，引腳部分P0口由8個(gè)相同結(jié)構(gòu)引腳組成；P1口通常用作通用I/O端口，可用作按拉尋址處理；P2口可作為普通輸入輸出口，也可以在系統(tǒng)外部擴(kuò)展存儲器，輸出高8位地址；RST為復(fù)位端口，ALE/PROG輸出1/6角頻率的方波；PSEN作為外部程序存儲器選通訊號；EA/VPP作為訪問外部程序存儲器的控制信號，XTAL1是振蕩器逆變放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器電路的輸入端，XTAL2是XTAL1的輸出端。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊包括溫濕度信號采集板塊、CO氣體濃度采集板塊、CO2氣體濃度檢測模塊。

溫濕度傳感器選用DHT11傳感器，包含3個(gè)引腳，P1(GND)，接地，電源負(fù)極；P2(DATA)，船型數(shù)據(jù)，單總線，接單片機(jī)IO口；P3(VCC)，電源引腳。數(shù)據(jù)由8 bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit校驗(yàn)位；微處理器(M0)與DHT11通信約定，其中M0作為主機(jī)，DHT11為從機(jī)。具體過程M0通知相應(yīng)信息準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，DHT發(fā)送信號準(zhǔn)備結(jié)束內(nèi)部信號，DHT的測試環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)和記錄數(shù)據(jù)的開始信號為下次M0。整個(gè)過程中，DHT輸出80 μs低電平作為應(yīng)答信號，輸出80 μs高電平，作為通知微處理器準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)的通知。

CO傳感器采用CJMCU-MiCS-6814，該傳感器除可檢測CO濃度外，還可對NH3、NO2等氣體進(jìn)行監(jiān)測。該傳感器具有體積小、適應(yīng)能力強(qiáng)、功耗低、檢測靈敏度高、監(jiān)測范圍廣等優(yōu)勢，傳感器的5個(gè)引腳分別對應(yīng)CO、NH3、NO2、GND、+5 V。具體參數(shù)配置如表2所示。

表2 CJMCU-MiCS-6814參數(shù)表

CO2傳感器選用T6713-5K氣體傳感器，傳感器大小為30 mm×15.6 mm×8.6 mm，準(zhǔn)確率的范圍為400～5 000 ppm+/-30 ppm±3% 到400～2 000 ppm+/-25 ppm±3%之間，溫度依賴性為每攝氏度5 ppm或每攝氏度讀數(shù)的0.5%，以較大者為準(zhǔn)，壓力一輛為每毫米汞柱讀數(shù)0.13%，90%的躍階變化響應(yīng)時(shí)間<3分鐘，信號每5秒更新一次，傳感器本身的存儲條件在-30～70攝氏度之間。該傳感器融合了體積小、精度高、可靠性強(qiáng)、功耗小、測量范圍大、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)勢，相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 T6713-5K參數(shù)表

設(shè)計(jì)中選擇的各種傳感器所需滿足的各種工作條件互不排斥，且均具有較高的精確度，能夠在復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，保證了溫控系統(tǒng)整體的可靠性。

2.3 顯示模塊

采用LCD1602液晶顯示屏，雙行顯示，每行16字符，工作電壓為4.5～5.5 V，工作電流為在5 V電壓下為2毫安，字符尺長為2.95×4.35(長×寬)毫米，顯示屏中包含16個(gè)引腳，第2引腳為VCC接V電壓，第3引腳VL為液晶屏顯示對比度調(diào)節(jié)端口，第4腳RS選擇寄存器，RS=0，選擇數(shù)據(jù)寄存器，RS=1，選擇指令寄存器，第6引腳E為Enable，高電平轉(zhuǎn)低電平時(shí)，表示可用，能實(shí)現(xiàn)命令，第7～14引腳，D0～D7是8位雙向數(shù)據(jù)線。另外LCD1602中關(guān)鍵性指令設(shè)置了清屏指令、設(shè)置模式指令、顯示開關(guān)控制指令、功能設(shè)定指令等。

2.4 預(yù)警模塊設(shè)計(jì)

預(yù)警模塊主要負(fù)責(zé)對超出預(yù)警值的監(jiān)測信息進(jìn)行報(bào)警，確保病房環(huán)境安全。具體硬件設(shè)計(jì)如下。

預(yù)警模塊由蜂鳴器、發(fā)光二極管以及LED組成。電子蜂鳴器作為集成結(jié)構(gòu)，選用直流穩(wěn)壓電源，應(yīng)用場景廣泛，設(shè)計(jì)中通過設(shè)置不同的頻率使蜂鳴器發(fā)出不同聲音，作為不同監(jiān)測值的報(bào)警信息。設(shè)計(jì)中使用有源蜂鳴器，在其兩端加載5V的直流電壓，當(dāng)單片機(jī)P1^5輸出一個(gè)低電平時(shí)，蜂鳴器響，實(shí)現(xiàn)報(bào)警。

發(fā)光二極管由含鎵(Ga)、砷(As)、磷(P)、氮(N)等化合物制成，由于LED體積小，常作為電路指示燈。該文設(shè)計(jì)中使用紅色發(fā)光二極管作為自動控制模塊中的一部分，當(dāng)蜂鳴器報(bào)警時(shí)，LED模擬加濕系統(tǒng)，調(diào)節(jié)病房濕度，控溫系統(tǒng)調(diào)節(jié)病房溫度，通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)病房空氣質(zhì)量。

2.5 按鍵模塊設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)對硬件系統(tǒng)按鍵模塊的設(shè)計(jì)中采用獨(dú)立鍵盤的方式，一個(gè)按鍵對應(yīng)單片機(jī)的一個(gè)I/O口引腳。設(shè)計(jì)的總份額從K1到K3，共有3個(gè)按鍵式開關(guān)，K1、K2、K3分別連接單片機(jī)P3^1、P3^0以及P3的2個(gè)I/O口，用來改變溫濕度的上下限閾值。鍵盤模塊為低電平，按鍵未按下時(shí)，上拉電阻確保單片機(jī)I/O口具有一定的高電平，當(dāng)某個(gè)按鍵按下時(shí)，I/O口變成低電平。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，軟件部分采用STC89C51系統(tǒng)進(jìn)行C語言的編輯，Keil C51提供了完整的開發(fā)方案，本次設(shè)計(jì)在Win10環(huán)境下運(yùn)行。

3.1 單片機(jī)軟件系統(tǒng)

主程序控制各模塊，負(fù)責(zé)接收溫濕度傳感器的溫濕度數(shù)據(jù)、接收CO傳感器和CO2傳感器檢測的氣體數(shù)據(jù)，并向PC端傳送串口數(shù)據(jù)、LCD液晶屏顯示溫濕度，進(jìn)行按鍵檢測調(diào)節(jié)溫濕度上下限。主程序設(shè)計(jì)如下：

void main()

{

uchar i:

UsartInit( ); // 串口初始化

LcdInit( ); // 液晶功能初始化

LcdShowInit ); // 顯示功能初始化

Flengshan = 0;

AlarmTL = EEPROM_Read(0x2000);

//從EEPROM的0x2000位置讀取溫度的報(bào)警下限

AlarmTH = EEPROM_Read(0x2001);

AlarmHL = EEPROM_Read(0x2002);

AlarmHH = EEPROM_Read(0x2003);

while(1)

{

sendSeriaPortMessage();//串口傳輸

Datapros();//接收CO2數(shù)據(jù)

ReadDhtData(); //檢測溫濕度數(shù)據(jù)

LcdGotoXY(1,2);//光標(biāo)定位溫度處

LcdPrintNum(temp); //顯示溫度值

LcdGotoXY(1,11); // 定位濕度處

LcdPrintNum(humi); //顯示濕度值

AlarmJudge(); // 判斷報(bào)警信息

for(i=0;i<25;i++)

{

KeyScanf(); // 按鍵掃描

DelayMs(20); // 延時(shí)

}

}

}

3.2 DHT11溫濕度數(shù)據(jù)收集程序設(shè)計(jì)

DHT11能夠讀取5個(gè)字節(jié)，連續(xù)讀40 bit。當(dāng)遇到低電平時(shí)，是while(低電平)，等待；為高電平時(shí)，就延時(shí)30 μs，然后讀電平，若讀到低電平，說明已經(jīng)到達(dá)第二個(gè)bit，而之前那個(gè)bit是0，返回(1)；如果是高電平，說明我們還在這個(gè)bit，bit是1，則while(高電平)等待，等轉(zhuǎn)換到bit的低電平，返回(1)，具體程序設(shè)計(jì)如下。

圖3 相關(guān)參數(shù)監(jiān)測流程圖

void ReadDhtData()

{

uchar HumiHig; //分別設(shè)置溫濕度的限值

uchar HumiLow;

uchar TemHig;

uchar TemLow;

uchar check;

DHT11_P = 0;

DelayMs(20);

DHT11_P = 1;

Delay10us( );

Delay10us( );

Delay10us( );

while(!DHT11_P); //等待

while(DHT11_P); //將測量數(shù)據(jù)賦予定義好的變量

HumiHig = DhtReadByte( );

HumiLow = DhtReadByte( );

TemHig = DhtReadByte( );

TemLow = DhtReadByte( );

Check = DhtReadByte( );

DHT11_P = 1;

if(check HumiHig+HumiLow+TemHig+TemLow)

{

Temp = TemHig;

Humi = HumiHig;

}

}

3.3 接收串口數(shù)據(jù)關(guān)鍵代碼

接收串口數(shù)據(jù)前首先對串口進(jìn)行初始化操作，注冊串口驅(qū)動程序，在初始化過程中，先取出相應(yīng)的UART_Port，然后對其初始化，獲取虛擬機(jī)地址，獲取終端號，復(fù)位FIFO；接著添加UART_Port-UART_add _one_Port，創(chuàng)建屬性文件，最后初始化動態(tài)頻率調(diào)節(jié)，關(guān)鍵代碼如下。

SerialPort1 = newSerialPort (“COM5”, 4800, Parity.None, 8, StopBits.One); //初始化串口設(shè)置

Public delegate void Displaydelegate (byte[] InputBuf);

Byte[] OutputBuf = new Byte[128];

public Displaydelegate disp_delegate;

string str;

Public From1()

{

disp_delegate =new Displaydelegate (DispUI);

serialPort.DeataReceived += new;

SerialDataReceivedEventHandler(Comm_DataReceived);

InitializeComponent( );

}

3.4 繪制實(shí)時(shí)曲線

該部分的設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并實(shí)現(xiàn)溫濕度的可視化，便于管理員實(shí)時(shí)監(jiān)測溫濕度變化趨勢，進(jìn)行相應(yīng)的限值調(diào)整，具體設(shè)計(jì)如下。

private void timer1_Tick(object sender, Event args e)

{

timer1.Interval = 500;

Double newX, newY, newZ;

newX = i;

newY = Convert.Todouble(temp);

newZ = Convert.ToDouble(humi);

Chart1.Series[0].Points.AddXY(newX, newY);

Chart1.Series[1].Points.AddXY(newX, newZ);

i++;

if(chart1.Series[0].Points.Count > 10)//繪畫坐標(biāo)點(diǎn)超過100個(gè)時(shí)，更新X時(shí)間坐標(biāo)

{

Chart1.ChartAreas[“ChartAreal”].AxisX.Minimum = i-10;//設(shè)置Y軸最小值

Chart1.ChartAreas[“ChartAreal”].AxisX.Maximum = i+10;//設(shè)置Y軸最大值

Chart1.ChartAreas[“ChartAreal”].AxisX.Interval = 2; //設(shè)置每個(gè)刻度的跨度

}

}

3.5 PID算法

此外，為實(shí)現(xiàn)病房溫控系統(tǒng)的智能化，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用PID算法[19-21]，通過PID算法中的參數(shù)調(diào)整，智能調(diào)節(jié)病房溫度。

圖4 PID算法框架圖

PID是比例、積分與微分的簡稱，該算法的關(guān)鍵是控制參數(shù)KP、KI、KD的設(shè)置。作為比例控制參數(shù)KP，其能夠提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，迅速反應(yīng)誤差，從而減少誤差，但不能消除誤差，即KP值越大越快，KP值越小越慢；KI為積分控制作用，一般用于消除靜態(tài)誤差，靜態(tài)誤差指系統(tǒng)穩(wěn)定后輸入輸出之間存在的差值，當(dāng)系統(tǒng)存在誤差，積分作用便會導(dǎo)致誤差不斷疊加，便需要輸出控制量來消除誤差，當(dāng)誤差為零時(shí)，積分停止；KD則是對偏差的變化趨勢做出反應(yīng)，根據(jù)偏差的變化趨勢實(shí)現(xiàn)超前調(diào)節(jié)，提高反應(yīng)速度。PID算法數(shù)學(xué)表達(dá)如下。

設(shè)定一個(gè)目標(biāo)溫度值，設(shè)為yp(t),實(shí)際溫度是y(t)，則偏差值為：

err(t)=yp(t)-y(t)

(1)

由圖6知，得出偏差值err(t)后，根據(jù)PID算法的比例、積分和微分運(yùn)算，得到控制量u(t)，其表達(dá)式如下：

圖6 溫濕度范圍設(shè)置測試

(2)

其中:u(t)為控制器輸出值，KP為比例系數(shù)，TI為積分時(shí)間常數(shù)，TD為微分時(shí)間常數(shù)。

積分項(xiàng)KI可以化簡為：

(3)

微分項(xiàng)KD可以化簡為：

(4)

綜上，控制量u(t)公式化簡為：

KD*[err(k)-err(k-1)]

(5)

算法執(zhí)行過程如下：

圖5 算法執(zhí)行流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，為確保系統(tǒng)各模塊能夠正常運(yùn)行，將病房溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)等板塊相結(jié)合，開展現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的實(shí)踐測試，以便及早發(fā)現(xiàn)潛在問題并進(jìn)行處理。本次實(shí)驗(yàn)主要針對硬件系統(tǒng)是否正常運(yùn)行、溫濕度的限值設(shè)置、溫濕度的實(shí)時(shí)曲線顯示，結(jié)果如下。

4.1 硬件系統(tǒng)檢測

該部分對電源模塊、主控模塊、液晶顯示模塊以及DHT11傳感器是否正常工作進(jìn)行檢驗(yàn)，首先接通電源查看電源指示燈是否正常亮起，其次檢測DHT11傳感器是否正常監(jiān)測溫度，以及LCD1602顯示屏是否正常開啟，并能顯示溫濕度傳感器上傳的溫濕度數(shù)值，最后檢測單片機(jī)按鍵模塊是否能調(diào)整溫濕度的限值，經(jīng)檢驗(yàn)一切正常。

4.2 溫濕度閾值設(shè)置

本次實(shí)驗(yàn)針對冬季病房溫度閾值進(jìn)行設(shè)置，考慮病患舒適度與病患病情恢復(fù)速度等因素，決定將溫度范圍設(shè)置為20～25 ℃，濕度為40%RH～55%RH，結(jié)果如下。

4.3 溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測

為更好地觀察病房內(nèi)溫濕度的變化過程，以及全天病房溫濕度變化趨勢，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中在上位機(jī)部分設(shè)置了溫濕度實(shí)時(shí)變化曲線監(jiān)測功能，橫坐標(biāo)為時(shí)間變化，縱坐標(biāo)為溫濕度范圍，具體結(jié)果如下。

圖7 溫濕度實(shí)時(shí)曲線

經(jīng)檢驗(yàn)，該文設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)各部分能夠正常運(yùn)行，溫濕度傳感器、一氧化碳和二氧化碳等氣體傳感器能夠正常監(jiān)測環(huán)境溫濕度以及其中氣體濃度，并能通過接口將數(shù)據(jù)上傳至單片機(jī)中，LCD顯示屏對數(shù)值進(jìn)行顯示，之后通過UART串口將數(shù)據(jù)上傳至PC上位機(jī)端，實(shí)現(xiàn)溫濕度曲線的實(shí)時(shí)繪制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)束語

目前，構(gòu)建智能化的病房溫控系統(tǒng)是解決或緩解醫(yī)院病房溫控資源浪費(fèi)的重要手段，其中通過精密有效的測量方式與儀器形成的軟硬件系統(tǒng)則是智能化病房溫控系統(tǒng)建設(shè)的重點(diǎn)。該文利用STC系列,基于51核心板的8051核ISP可編程芯片，設(shè)計(jì)基于PID算法的智能病房溫控系統(tǒng)，通過溫濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測病房溫濕度變化趨勢，期間單片機(jī)通過轉(zhuǎn)換器接收傳感器上傳的溫濕度等數(shù)據(jù)，利用UART串口將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)端進(jìn)行可視化。通過設(shè)置溫濕度限值，使用蜂鳴器建立預(yù)警系統(tǒng)，對超出限值的項(xiàng)進(jìn)行報(bào)警，管理員通過操作軟件系統(tǒng)或硬件系統(tǒng)按鍵模塊，實(shí)現(xiàn)對病房溫濕度的范圍控制，確保病房整體環(huán)境質(zhì)量，為病患提供更良好的病房環(huán)境，有助于病患疾病的恢復(fù)。另外，所選用的各類儀器能夠在低功耗下，長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，且能保證精確度，有效降低了管理人員的管理難度。針對該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)存在的不足，下一階段研究中，將不斷完善該溫控系統(tǒng)的智能化建設(shè)，并通過引入深度學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效自管理。