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[技术资料] 基于PWM的红外理疗仪器实时温度控制系统设计

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发表于 2022-4-22 15:43:11 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 广东省深圳市
摘要:针对传统电控理疗仪器在温度控制精度方面的不足,提出一种基于PWM的红外理疗仪器实时温度控制系统设计;在分析PWM红外温控技术原理的基础上设计了系统的硬件构成,主要包括单片机微处理器、加热模块、温度控制器、直流稳压电源、数码显示器等部分;与硬件结构相匹配给出了理疗仪器实时温控系统的软件工作流程,系统基于PWM技术进行红外信号采样和脉冲宽度调节,实现对红外理疗仪器温度的精准控制;实验结果表明,提出温控系统设计的温度控制偏差低于1.36%,红外信号幅值的输出也更为稳定。
医疗技术的发展和进步推动了医学治疗模式的多样化,物理治疗、免疫治疗及心理治疗等疗法目前已经成为了医疗领域的主要生物辅助疗法,特别是物理疗法凭借其安全、便捷的治疗方式,受到了广大患者的喜爱和认可。近年来,理疗技术和理疗疗法在临床医学上获得了较大的突破,在现代医学领域所发挥的作用也越来越突出。长期以来,理疗技术在临床医学及其应用上大致包括了放射线治疗、物理治疗及后续康复等三个不同的治疗阶段,特别是近些年随着激光、红外技术的发展,红外理疗设备的应用得到了快速的推广,客观上推动了理疗医学技术的进步。当前医疗市场中的理疗机器设备与传统生物治疗结合度不够紧密,而红外理疗仪器的出现填补了诸多理疗治疗领域的空白,更能够较好地与我国传统的中医技艺相结合。术后护理与辅助治疗对于患者的康复具有特别重要的意义,在患者的后续康复过程中,红外理疗仪的所发挥的作用是十分积极的,因为红外线具有超强的穿透治疗效果和能力,可以穿透衣物和皮肤而直接地作用于患者的肌肉与皮下组织,依托于红外线的热导效应而达到加速患者血液循环,提高新陈代谢的目的。传统红外理疗仪器的温度控制多采用人工调节与控制的方式,通过医生与患者的实时沟通而进行温度的调节,但这种调节方式存在一定的风险,容易导致患者被烫伤。激光红外脉冲技术的发展和进步,促使脉冲宽度调制(PWM)技术被越来越广泛地应用于控制领域,本文设计了一种基于PWM的红外理疗仪实时温度控制系统,能够依据人体的最为适宜温度而实现对红外理疗设备温度的智能调控,提高理疗技术的治疗效果。

1、PWM红外温控原理
在患者的康复过程中,要想充分发挥出物理治疗的效 果,就需要提高红外理疗仪器的温度调控精度,实现其智 能化的操作。红外理疗仪器温度调控系统的性能会直接影 响仪器的治疗效果和节能效果,红外理疗仪器的温度控制 系统的基础元件之一是发热电阻丝,电流通过时会产生热 量,而电气元件的工作状态是通过智能芯片的调整加以控 制。当电流通过时发热电阻丝时温度就会升高,这时可以 通过智能温度控制芯片实现对温度的实时调控,用微分方程的演化模式描述控制系统的温度调控值W(t),可以表 示为:
1.jpg
PWM对红外理疗仪的温控控制过程共分为三个阶段,第一个阶段为对电阻丝的加热阶段,加热周期由定时器控制,在整个温度升高的阶段都设置为高电平,使温度尽快达到既定的阈值范围。第二个阶段为PWM控制阶段,设定温度与人体温度之间的差值,可以通过 PWM信号调节与智能 PID算法共同实现。以此时的温度作为温度调节时间控制的初始温度,如果达到既定的时间之后系统就调整至低电平停止加热。在温度调控的初始阶段,仪器的实际温度值与目标温度值相差较大时,模拟量 W。的初始温度较低,此时基于PWM技术迅速对温控阈值进行调整,此时电阻丝加热信号所占的空就较大;随着温度的不断升高,模拟量W,的值会越来越大,这时通过 PWM红外信号调整电阻丝的温度,所占的空会越来越小,仅利用余温就能够达到适宜的温度。在温控期间可以通过 PWM 技术实现对红外信号的自由调节,进而完成对红外理疗仪器温度控制系统的自由调节,如果温度接近了人体承受范围的界限,温度控制系统就会发出指令停止加热。但这时的加热过程并未完成,余温还会继续对控制系统加热,但不会由于温度过高而对患者造成损伤。当温度达到温控阈值温度值,基于 PWM技术的温控系统,会将温度恒定在一定范围之内,一旦仪器的温度有所降低,PWM信号又会发出指令,这时温控系统又会重新对仪器进行加热。PWM 技术实现了对原有 PID控制方法的有效补充,从而获得更好的温度控制效果。基于PWM 红外智能温控原理,文章设计了红外理疗仪器的硬件结构和软件实现流程,能够给理疗患者带来更好的治疗体验和治疗效果。

2、基于PWM温控系统硬件设计
基于PWM的红外理疗仪器实时温控系统硬件结构,主要由 AT89S80 单片机微处理器、DD1852温度传感器、数码显示器、信号控制模块、直流稳压电源、加热器等模块构成,如图2所示。
2.jpg
当红外理疗仪器温控系统启动之后,DD1852温度传感器读取初始的测量温度,并与患者的人体适宜温度进行比较,将对比信息送达了显示装置。基于PWM技术设计的信号控制模块可以实现对温度的智能调节与控制。模拟温度传感器电路以数字信息的形式将人体的实时温度传输至AT89S80 单片机微处理器,单片机系统再结合现场的初始温度与人体的适宜温度,设定最优的温度控制阈值。PWM 的优势在于能够与传统的模糊 PID算法兼容,在最短的时间内计算出实时的温度控制量,当红外理疗仪器的实时温度过高或过低时,可以通过 PWM红外信号调整电阻丝的温度,以确保红外理疗仪器恒定在一个最为适宜的温度。
AT89S80单片机微处理器以此温度阈值作为温度控制的标准,脉冲宽度调节的优势在于能够充分利用红外光的脉冲宽度及稳定性,准确地提取标的物的温度变化信息,并将信息传递到单片快速的做出温度调控指令,并确定出加热的时间长度。由于系统选用的加热方式为可控硅智能控制,加热灵敏且反应速度较快,当温度达到既定的阈值后实现系统的恒温运行。温控系统在停止加热后会存在一个自然冷却的过程,基于 PWM 的温度传感器模块会实时监控红外理疗仪器的温度变化,并做出相应的控制调整,随时开启加热系统避免温度下降得过快而影响理疗效果。单片机在温度实时调控中需要不断地调整各个信号参量的变化,以提高系统显示的准确性和及时性。控制温度传感器的智能芯片型号为 DS18B52 基于红外信号的输出强度进行温度信息的读写,该控制芯片具有低功耗、抗干扰能力强、结构简单的优势,并能够基于采集到的脉冲宽度而决定电平的高低分布。温度控制传感器的接口连接一个光耦三级管,控制发热电阻丝的工作状态。当接口的电平较低时由于光耦处于关闭的状态,这时电阻丝就会停止加热;当接口的点评较高时,光耦打开电流会持续地给电阻丝加热。

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