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[应用相关] 使用STM32代替PLC开发负压隔离舱

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 楼主 | 2019-6-24 14:28 | 显示全部楼层 |阅读模式
    传统的负压隔离舱采用快慢档控制的方法,由于该方法是采用开环控制,因此在负
压隔离舱转运过程中若遇到颠簸、碰撞等复杂的外界情况时,舱体内外压差会出现很大
波动,且压差值无法在短时间内恢复到安全范围。再者负压隔离舱风机处于病人头顶,
在运送病人过程中传统负压舱风机噪声较大,严重影响舱内病人的体息和治疗。基于以
上两点本文以STM32微处理器为核心,开发了一套新型的负压隔离舱控制系统。具体工
作如下:
    首先,详细描述了负压隔离舱的整体结构和功能,对排风过滤系统中所使用的无刷
直流电机的工作原理也做出简单介绍,同时对负压隔离舱各项性能指标做出明确说明。
    其次,对以STM32为控制核心的负压隔离舱主电路进行了详细说明,包括对负压隔
离舱控制系统的控制主电路模块、电源电路模块、功率驱动模块、光电隔离电路、下载
电路接口等进行详细分析与设计,其中重点介绍了功率驱动模块的设计过程,并给出了
MC33035智能电机控制芯片的各引脚的使用说明。
    然后,对负压隔离舱进行数学建模,并加入P工D算法控制来调节电机的转速。针对
控制系统各项功能进行编程,主要包括主控程序、电机闭环驱动程序、中断程序、P工D
调节程序、串口通讯程序等。同时采用Labview对上位机软件进行开发,并对多台负压
隔离舱进行zigbee无线组网。实现多台负压隔离舱的集中监测。
    最后,对负压隔离舱控制电路和采集电路进行分模块性能测试,主要为了确保电路
无设计性错误和连接错误,避免试验中电路直接烧毁。确保电路无设计和连接错误后,
在复杂的外界环境下对负压隔离舱样机进行气压测试,并对得到的试验结果进行了分
析,最终对负压隔离舱的性能得出结论。


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 楼主 | 2019-6-24 14:42 | 显示全部楼层
    近年来由于中国对非洲援助力度的不断加大,有将近2万的中国公民在西非埃博拉
疫区工作和生活。2014年初,非洲西部爆发了埃博拉疫情,该传染病具有易传染、传播
快、发病快、死亡率高等特点,对我国在非人员的生命安全造成了极大的威胁。我国政
府和领导人对此表示高度关注,并要确保我国公民在西非埃博拉疫区的安全健康。相关
部门对患者能够实现空运回国治疗及时做出安排。但由于传染病人在运送过程中,存在
着对医护人员二次传染的可能,使得长距离运送传染病人很难实现。本次课题的研究目
的,主要是为了保证远距离运送传染病患者过程中,与患者有直接或者间接接触人员的
生命安全。从而研发出一款具有自动稳压功能的负压隔离舱,该舱不仅能够实现舱内气
压的稳压调节,且能够实现气压和电量的实时监测和报警。同时,在运送过程中能够对
传染病患者能够进行适当的医治。目前,在国家科技改革与发展专项“埃博拉病员转运
装置和生物安全装备研发”的资助下,研发出了最新款的折叠式负压隔离转运舱(下称
负压隔离舱)。
    负压隔离舱主要应用于发生烈性传染性疾病的情况。目前主要用于SARS、禽流感、
埃博拉出血热等高危易传染病种人群的运输与转移,对于疑似或确诊传染病员的安全隔
离,转移与运送,切断病原体的传播途径。保证病员运送途中环境不被污染,尽可能的
防止疫情进一步扩散,同时极大程度上降低健康公众的感染几率。传统的负压隔离舱采
用快慢挡控制方法来调节电机转速,舱体内外压差无法实现高精度稳压控制,且由于没
有气压反馈功能,负压隔离舱内气压很难被实时监测,这就使得负压隔离舱内部的负压
环境存在一定的不稳定因素,从而无法保证负压隔离舱能够始终维持在一个安全舒适的
工作状态。
    因此,智能型负压隔离舱的研发已经刻不容缓。一方面智能负压隔离舱不仅能够保
障传染病患者转运过程的绝对安全。另一方面也为中国在国际医疗器械的创新与研发,
医疗救助体系的发展中提供了巨大的帮助,从而为中国在国际卫生医疗的发展中添下了
浓墨重彩的一笔,更能展现中国的大国形象。

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 楼主 | 2019-6-24 14:45 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-6-24 14:45 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-6-24 14:48 | 显示全部楼层
    2010年,国内首台负压隔离舱由军事医学科学院卫生装备研究所研发成功,该舱采
用不锈钢支架式结构,舱体材料选用PVC防水布,排风口采用高效排风过滤系统过滤舱
内被污染的气体,排风扇采用高低档控制的方式。该舱的缺点在于体积大、重量大、不
易携带,且智能化程度不高,无法做到精确稳压控制,在复杂的外界条件下(颠簸、震
荡)舱内气压变化状况无法监测,负压隔离舱安全性得不到保障;2013年卫生装备研究
所成功研制出了充气式负压隔离转运舱,但该舱主要问题在于观察病人的视野不够,充
气结构容易破损。因此我国转运疑似传染病、确诊为传染病患者的负压隔离舱产品绝大
部分是从国外引进的。
    与国外产品相比国内负压舱操作起来较为繁琐,且在转运过程中负压隔离舱的安全
性得不到保障,舒适性较差,设备的工艺工序水平与国外产品也存在较大的差距。

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 楼主 | 2019-6-24 14:48 | 显示全部楼层
    近年来,负压隔离舱的发展主要有两个方向。首先,以美国TU-740M负压隔离后送
舱为代表,该类负压舱具有体积大、耗能大、重量高、安全性高、功能全面、不易携带
等特点。再者,以口本SO工TACH公司的M1-LTL负压隔离转运舱为代表,该类负压舱具
有体积小、耗能低、重量轻、功能单一、易携带等特点。两类负压隔离舱各有自己的优
缺点。本次研究主要目的是结合两种类型负压隔离舱的优点,最大限度的增加负压隔离
舱的功能性,简化负压隔离舱的操作步骤,始终保证负压隔离舱的安全运行。经过多次
改进,现有负压隔离舱逐渐趋向于安全性、智能化、低能耗、低噪音、易携带等方向发
展「0。具体表现为以下方面:
      (1)安全性
    安全性是负压隔离舱设计过程中首要的考虑因素,也是评价舱体性能最核心因素。
负压隔离舱的研制生产就是为了在转运传染病人过程中,防止二次传染事故的发生。目
前,国内负压隔离舱开机一段时间后,舱内气压稳定在一30Pa(士3Pa)。通过对舱内患者
的血氧饱和度、心率、体温等多个身体指标进行跟中监测可知,-30Pa既能保证负压隔
离舱内部被污染的气体不扩散,又不会使舱内患者感到不适,是最合理的舱内负压设定
值。该值在保证了负压隔离舱安全性和舒适性的前提下,使负压舱耗能降到最低,因此
本次新研发的负压隔离舱的舱内压力值最终设定为一30Pao

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 楼主 | 2019-6-24 14:49 | 显示全部楼层
      (2)智能化
    传统的负压隔离舱采用高低档控制的方法调节电机的转速,实现对负压舱的排风量
  (L/min)大小的控制,从而可以有效保证负压隔离舱的气压值在安全压力范围内。虽
然也能保证负隔离压舱的安全运行,但是当负压隔离舱在运送过程中,舱体体会出现颠
簸等情况,此时传统的高低档控制方法无法及时作出响应,导致舱内压力出现不平稳的
情况。除此之外,采用高低挡控制负压隔离舱的方法,往往会出现舱体内外压差过大的
情况,舱内病人也会因为舱内二氧化碳含量上升从而感到不适。新型负压隔离舱着眼负
压隔离舱内外压差的稳定控制,通过气压反馈的方法,不断对当前压力进行调节。最终
使压力保持在目标压力值(-3Pa-}-+3Pa。另外,负压隔离舱还具有压差显示、电量显
示、低电量报警、高压差和低压差报警的特点。

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 楼主 | 2019-6-24 14:49 | 显示全部楼层
(3)低能耗
由于负压隔离舱经常担负跨国跨洲运送传染病员的情况,所以对其续航性能要求较
高,新型负压舱通过智能调节电机转速,有效达到节能效果同时具有低电量报警的功能
进一步保证负压隔离舱的安全性。
      (4)低噪音
    研究表示正常人如果长期在50dB以上的环境下,会出现浮躁厌烦等表现,生理方
面也会出现血压升高,体温升高等情况。主要考虑到舱内病人的舒适性和安全性,要求
负压隔离舱正常工作的情况下,声音应在30dB以下。
      (5)易携带
    为了减少运输成本,以及提高紧急救援的效率,新型负压隔离舱具有可折叠、质量
轻、拆装简单的特点,能够实现负压隔离舱的大批量运送。

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 楼主 | 2019-6-24 14:49 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-6-24 14:50 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-6-24 14:50 | 显示全部楼层
    不同国家的负压隔离装置形状大小不尽相同,因此研究负压隔离舱的首要任务就是
确定负压舱的模型结构。本课题采用的是有限元分析模拟舱内在使用过程中的受力情
况,根据分析和计算结果进行舱体支撑结构设计,最终得出如图2-2的负压隔离舱的结
构模型。
    经过测试可得,该结构在一100Pa的负压环境下舱体的最大变形为7. 9mm o舱体的强
度、刚度、稳定性均表现良好。

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 楼主 | 2019-6-24 14:50 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-6-24 14:51 | 显示全部楼层
    由上表2-1可知,负压隔离舱外形尺寸为长2020mm、宽560mm、高560mm。在实际
生产过程中,也会根据个人体型不同,进行长度、大小的相应调整。
    负压舱舱体主框架为铝合金支架,框架周围采用高透明度的PVC薄膜进行密封,医
护人员在负压舱外可以很清楚的观察到病人的一举一动。根据人机工程学原则,在负压
隔离舱两侧各安排4个操作手孔的位置,脚部安排两个操作手孔的位子,提高操作的便
捷性。负压舱头部采用过滤效率可达99. 97%以上的超高效的过滤装置,从而保证舱体内
排出的空气中不含传染源。负压舱尾部采用了过滤效率可达95. 00%以上高效过滤装置,
保证进入舱体内空气的洁净。
    舱体为一个相对密闭的空间,为转运途中的烈性呼吸道传染病患者提供体息场所。
同时舱内被患者污染的空气必须通过高效过滤才能排出外界,进而保证了与负压舱有直
接和间接接触人员的生命安全「38]
    负压隔离舱主要运用于发生重大疫情时,烈性传染病人员的隔离和运送。在运送过
程中,负压隔离舱内部气压值可能会受到外界复杂的环境影响,所以舱内压力值的大小,
就成为衡量负压舱是否安全的最重要指标,负压舱能否长时间把舱内压力稳定在安全压
差范围内,成为负压舱是否合格的标志。因此,只有提高负压舱控制系统的可靠性、缩
短系统响应时间、简化操作步骤、优化内部算法,才能保证负压舱维持在安全、高效、
精确的工作状态。

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 楼主 | 2019-6-24 14:51 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-6-24 14:51 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-6-24 14:51 | 显示全部楼层
    图2-3为负压隔离舱控制面板,图2-4为高效排风过滤系统爆炸内部结构图。由上
两图可知负压隔离舱控制系统主要功能包括舱内气压控制、舱内气压显示、气压异常报
警、低电量报警等功能。系统由超高效过滤器、压差监测模块、压差控制模块、无刷直
流电机等组成。
    系统以STM32F103CBT6芯片为核心,构建负压隔离舱控制系统。负压隔离舱启动后,
通过压差传感器采集舱体内外压差信号,经过放大、滤波后传递给单片机。单片机通过
当前值和目标值作比较,调节PWM占空比,调节定子换相时间,从而调节电机转速,最
终实现对舱体内部气压的调节。另外设计电量采集电路,由单片机内置ADC采集电源电
量信息,在电池的正极和负极串入一个电流检查电阻,通过检测Vsense计算出流过电
阻的电流。从而精确的跟踪电池的电量变化,精度可以达到1%0舱内压力、电源电量通
过单片机处理,以LED灯显示,并控制LED灯和蜂鸣器进行压力、电量声光报警。当压
力小于15Pa,或者电池输出电压低于lOV时,进行声光报警;供电电源可采用自带内置
直流12V电池,也可采用外接电源,外接电源可以是车载电源(直流12V)或者市电交
流220V0

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 楼主 | 2019-6-24 14:52 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-6-24 14:52 | 显示全部楼层
    负压隔离舱系统框图见图2-5,需要注意的是,框图中的BLDCM为无刷直流电机,
单片机通过输出PWM波的形式调节电机的转速来实现负压隔离舱气压差的稳定。
    压差检测模块包括压差传感器和采集卡两部分组成。压差传感器选用的是国产
PT201型差压变送器,测量范围0}200Pa,精度为0. 5Pa;该传感器采用的是12V直流供
电,输出为4}20mA电流环,再经过转换电路把电流信号转换为电压信号输入到采集电路
中。
    负压隔离舱正常启动后,由于舱体的进气量比排气量小,从而导致舱内保持负压状
态;外界空气通过舱体尾部的滤尘盒过滤后,补充到负压隔离舱内,舱体内患者呼出的
空气通过头部的高效过滤装置虑掉气体中的病原体后排出,从而很有效的切断了该传染
病的空气传播途径。
    为实现污染后的气体不扩散,新研制的负压隔离舱内外压差值不能过小,但从舱中
病人的舒适性考虑,舱体内外负压值又不宜过大,通过多次试验分析,最终确定舱内负
压值最理想的情况下应为一30Pa }39},控制系统通过实时采集压力传感器上的气压值,实
现对负压隔离舱内气压的闭环反馈控制,从而使负压舱获得稳定的压差。
    压差传感器采集到的信号放大滤波后,一方面传递给压差控制模块来调控负压舱内
压差,另一方面把当前的压差值通过液晶屏显示出来。负压隔离舱内压力变化的快慢,
主要是通过负压隔离舱控制系统中电机转动的快慢来调节的。出于续航时间、噪声、体
积、重量、以及控制精度等多方面因素考虑,负压隔离系统选用的是无刷直流电机
(BLDCM)来实现舱内气压差的调节。该电机具有高效率、低能耗、低噪声、超长寿命、
高可靠性、相对低成本且简单易用的优点,完全满足负压隔离舱对性能和可靠性方面的
需求。下面对负压隔离舱电机的控制方式、电机的特征和工作原理进行简单的介绍。

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 楼主 | 2019-6-24 14:52 | 显示全部楼层
    电机调速方法主要有开环控制和闭坏控制两种。闭环控制主要包括传统P工D控制、
模糊P工D控制、滑模变结构控制、自抗扰控制等。其中,传统P工D控制运用最为广泛。

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 楼主 | 2019-6-24 14:53 | 显示全部楼层
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