朱兴喜 汪长岭 张联飞 毛靖宁 曹勇民 沈华强*

医院手术室暖通设备控制信息面板的改造设计与应用

朱兴喜①汪长岭①张联飞①毛靖宁①曹勇民①沈华强①*

目的：利用手术室现有暖通设备执行系统，用最低的成本进行现代手术室暖通设备控制信息面板的改造设计，取代手术室原故障信息面板，方便医护人员操作使用。方法：采用微程序处理器、编程技术以及模拟与数字技术研制新的手术室信息面板，无缝对接并控制原有的暖通及相关执行设备。结果：研制的装置能采集需要的控制信号，并进行有效的转换，再经过编程进行信号处理，输出有效的执行信号。实验数据显示，实验结果在允许的范围内，可以与原执行器件无缝对接。使用新研制的信息面板恢复了原手术室暖通设备控制执行系统，为医院节省近百万购置手术室信息面板和设备费用，间接节省数百万手术室改造费用。结论：在不影响手术室总体结构的情况下，采用模数电子以及模块单片机的编程控制技术，用较短时间内完成电路设计和编程，研制出新的手术室信息面板，安装测试结果表明在功能上完全替代原有系统，可为其他医院类似改造项目提供技术参考。

微程序控制器；脉宽调节；手术室；信息面板；暖通设备

现代手术室一般将照明、无影灯、新风、层流风、温度、湿度、状态显示等控制与设置功能均集中到综合信息控制面板上，作为手术室综合控制器以及手术室当时状态的显示面板[1-3]。南京总医院手术室自2000年建成使用以来，其信息控制面板已使用数十年，由于手术室内的室温常年维持在26 ℃以上的温度，信息控制面板安装盒内的温度因元器件发热比房间温度更高，以致加快了信息控制电路板元器件的老化速度，出现多间手术室信息控制面板损坏，致使手术室内照明、新风等均无法控制。由于电路板控制芯片内含有编程，难以修复，需要对整个系统的更换，涉及到改造设计、布线，更换新风层流系统、加湿系统、气压控制系统等暖通设备和手术室重新改装。如果外包工程涉及工程量大，不仅需要投入大量的资金，更要花费大量的时间，甚至影响手术室在长时间无法使用。为此，本研究通过分析信息面板的控制功能，重点研究手术室暖通设备控制信息面板的设计思路，自行对手术室暖通设备控制信息面板进行重新设计和改造。

1 暖通设备信息系统设计

手术室暖通设备信息包括手术室温度和湿度、新风、层流、空调和状态设置显示等，其系统设计的主要内容为：①采用手术室现有的温度和湿度传感器进行取样并显示，与设定的温度和湿度进行比较，来判断是否开启中心空调；②依据手术室净化空气等级设置新风和层流单位时间开启次数；③方便医护人员开展手术，实现开启和关闭患者麻醉和手术时间计时。按照上述内容在电路设计上主要由微程序控制器单元(micro control unit，MCU)进行采样、运算、模拟数字(analog digital，AD)转换、输出控制信号电路、温度和湿度以及状态设置显示电路组成[4-5]。

1.1 结构与原理

1.1.1 结构设计

(1)MCU从手术室回风管内采集到温度和湿度信号后进行A/D变换，与信息面板设定的温度和湿度信息进行对比、判断后，输出两路脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)信号，分别为温度和湿度PWM控制信号，其中一路通过PWM-V1-A1先进行脉宽调制信号转换为0～10 V(PWM-V1)的相应电压信号，再进行电压信号转换为电流4～20 mA(V1-A1)信号来控制空调阀门执行器；另一路采用同样的原理产生电流4～20 mA(V2-A2)信号来控制蒸汽加湿阀门执行器。

(2)通过信息面板按键输入层流风量、时间设置、手术时间、麻醉时间等信息，通过MCU处理后输出两组信息，分别为PWM信号和屏显信息，其中PWM信号通过PWM-V3-A3(工作原理与PWM-V1-A1相同)产生电流4～20 mA(V3-A3)信号来控制层流风量控制执行器。MCU信息采集、处理、屏显和控制输出如图1所示。

图1 手术室暖通系统结构图

1.1.2 MCU的选择

由于MCU是信息处理与控制器的大脑，也是电路设计上主要关键所在，其稳定性关系到整个系统设计的成败，由于时间急迫，采用现有成熟的开发板(Mega 2560开发板)作为MCU加快系统设计的速度。Mega 2560采用USB接口的核心电路板，最大的特点是具有多达54路数字输入/输出(I/O)，特别适合需要大量I/O接口的设计。Mega2560开发板的核心处理器是ATmega2560，同时具有54路数字I/O口(其中16路可作为PWM输出)，16路模拟输入，4路异步串行通信口，一个16 MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个在线串行编程连接端(ICSP header)和一个复位按钮[6]。其大量的I/O带来了丰富的扩展性，成熟的设计使其先天具有较佳的稳定性，而低廉的价格极大降低了设计成本。由于本身具有USB编程接口，省去了购买编程器的繁琐，采用装有官方Arduino IDE，即Arduino开发工具，是一个基于开放原始码的软硬体平台，构建于开放原始码(simple I/O界面版)的普通电脑使用编程语言C就能方便的编程，使用方便，且丰富的资源可以大量节省编程周期。

1.1.3 回风口温湿度采样电路

回风口温度和湿度采样信号来自于西门子QFM65风管传感器(如图2所示)。QFM65风管传感器采用AC 24 V作为工作电源，QFM65内部设置了温度和湿度探头及转换处理电路[7]。一路是通过电容湿度传感器的电容，随着空气湿度的改变而改变，用来测量风管内相对湿度，在相对湿度0%～100%时，电子测量电路对应模拟输出的电压为0～10 V，一般相对湿度的应用范围在10%～90%，对应采集的电压信号为1～9 V；另一路是通过Pt1000薄片测量元件的电阻，随着空气温度的改变而改变，用来采集风管内的摄氏温度，摄氏温度的变化经电路处理后转换成2个独立的模拟电压输出，范围均为0～10 V，对应的摄氏温度分别为0～50 ℃和-35～+35 ℃。考虑到手术室的摄氏温度变化范围，取0～50 ℃的摄氏温度范围对应的电压输出进行采样。由于MCU开发板的A/D能承受电压为5 V，在此将温度和湿度采样输出的模拟电压进行线性除2处理，也就是输入到MCU板的电压范围均为0～5 V，其电路是采用2个100 K金属膜电阻和1 K线绕电位器串联组成，从电位器中间抽头输出，调节电位器可以保证信号降低为原来的一半，然后输入到MCU开发板A/D输入端。

图2 风管温度湿度传感器示意图

1.1.4 信息面板按键输入电路

信息面板按键有6个，拨动开关1个。按键中2个用于时间的设置；1个用于麻醉时间的开启、暂停和关闭；1个用于手术时间的开启、暂停和关闭；另外2个是用于风管机组变频器频率增大和减小输入键。6个按键正常状态下为高电平(+5 V)，当需要设置或调节变频器频率(调节风量)时按下相应的按键，低电平信号就连接到MCU开发板。1个拨动开关用于当空调管道走冷水或热水时的信号设定。

1.1.5 MCU信号处理

MCU接收到信号分为3种处理方式。

(1)接收到摄氏温度和相对湿度模拟信号后分别进行10位A/D转换，得到对应的摄氏温度和相对湿度数字信号，一方面输出到信息面板状态显示电路进行摄氏温度和相对湿度的实时显示，另一方面与程序内设定的摄氏温度(T0=25 ℃)数字和相对湿度(RH0=50%)数字进行对比，根据对比差值大小来调节输出PWM脉宽(占空比)，差值越大，占空比越大，反之，差值越小，占空比越小。

在程序中将手术室内实时摄氏温度(T)和相对湿度(RH)与设定的温湿度对比后输出PWM的占空比各分为4种模式：①当T-T0≤±2 ℃时，PWM占空比为10%，表示管道阀门处于关闭状态；②当±2 ℃＜TT0≤±4 ℃时，占空比为50%，表示管道阀门开启一半；③当±4 ℃＜T-T0≤±6 ℃时，占空比为80%，表示管道阀门开启较大；④当±6 ℃＜T-T0时，占空比为100%，表示管道阀门开启最大(以上温度模式中，设定“±”中的“+”为空调管道走冷水，“-”为空调管道走热水的模式)。

实时相对湿度RH与占空比的4种模式：①当RH0-RH≤4%时，PWM的占空比为10%，表示蒸汽加湿阀门处于关闭状态；②当4%＜RH0-RH≤8%时，占空比为50%，表示蒸汽加湿阀门开启一半；③当8%＜RH0-RH≤12%时，占空比为80%，表示蒸汽加湿阀门开启较大；④当12%＜RH0-RH时，占空比为100%，表示蒸汽加湿阀门开启最大。

(2)当接收到面板按键风量调节增加的信号时，其输出PWM的占空比在当前的基础上增大，反之占空比减小，共分为5个占空比，分别是100%、80%、60%、40%和20%，表示对应的风管机组运行变频器的频率为50 Hz、40 Hz、30 Hz、20 Hz和10 Hz。

(3)当接收到面板时间调节、手术时间和麻醉时间信号输入时，MCU采用中断处理的方式进行，输出信号到信息面板状态显示电路进行相应的时间显示。

1.1.6 PWM-V-A电路

PWM-V-A电路是脉宽信号转换成电压信号，再转换成电流信号的电路。由于用于控制温度和湿度的阀门及控制风量的变频器分别是西门子SQX61、SKD62执行器和富士VF-8X变频器(其外观如图3所示)。控制信号均设置为4～20 mA的直流电流信号，所以将MCU输出的PWM信号全部转换为直流电流信号，以便于控制[8-9]。

图3 设备外观示意图

PWM-V-A的电路原理如图4所示。从MCU输出的占空比可调的PWM信号通过TL082CN高输入阻抗双运算的U1A运算进行隔离和信号跟随，将PWM信号从1脚输出到LTC2644C(U2)的INA引脚进行PWM-V的转换，U2是双通道8位PWM至电压输出的数字模拟转换器，具有高准确度、低漂移以及10 ppm/℃基准特性，其输出直流电压与PWM占空比成正比，即公式1：

式中TPWH表示脉冲的宽度时间，TPER表示2个上升沿的宽度时间，TPWH/TPER一般可以表示为占空比值。

从U2的VOUTA输出的直流电压通过由R5、R7、C3、R6和C4组成的低通滤波器，进一步使直流电压波形平滑，再经过TL082CN的U1B运算隔离跟随，最后通过由LM324N四运算的U3A运算和U3B运算以及周边元器件组成的V-A转换电路[10-11]。根据电路的设计，V-A转换输出的电流为IIOUT=VVIN/(R0+R8)，当VIN输入电压为1～5 V直流电压时，调节R8从IOUT输出为4～20 mA的电流至执行器。图1中的PWMV1-A1、PWM-V2-A2和PWM-V3-A3的电路原理与PWM-V-A电路原理相同，在此不再赘述。

2 暖通设备调试

按照上述设计原理制作电路板和编写程序后进行调试。

表2 模拟温度对应的阀门状态

图4 PWM-V-A原理图

(1)进行V-A调试(如图4原理)。在执行器位置连接一个RL=500 Ω的模拟负载，在VIN端加上5 V电压，调节R8，测量模拟负载的端电压约为10 V，即输出电流约为20 mA，为了检验V-A输出电流是否达到要求，进行数据测试，测试条件是：R0+R8=200 Ω，RL=100 Ω和200 Ω，得出V-A的转换产生的误差很小，对于控制阀门基本符合要求，见表1。

表1 不同负载RL(Ω)条件下实验结果

(2)进行PWM-V调试。在PWM输入口输入频率100 kHz、幅度为5 V的脉冲波，采用的占空比分别为20%、50%和100%(建议不要使用占空比为0进行调试)，对应的输出VVIN电压分别约为1 V、2.5 V和5 V，符合控制阀的电流要求。

(3)进行温度调试。湿度和风管机组变频器的测试与温度测试原理类似，用模拟温度的采样信号Ui(模拟空调管道走冷水条件下)，再通过线性除2处理后输入到MCU，从模拟负载中测试负载端电压，测试条件是：R0+R8=250 Ω，RL=500 Ω。从表2中可以得出，在模拟温度为25 ℃时，与程序设定的温度(25 ℃)相差在温度模式1中，PWM占空比输出为10%，阀门关闭；在模拟温度为28 ℃，其差值在温度模式2中，PWM占空比输出为50%，阀门开启一半；当模拟温度为32 ℃，其差值在温度模式4中，PWM占空比为100%，阀门全开启，均符合设计要求。

3 结论

通过对V-A、PWM-V和模拟温度调试实验的结果可见，研制的装置能采集需要的控制信号，并进行有效的转换，再经过编程进行信号处理，输出有效的执行信号。实验数据显示，实验结果在允许的范围内，可以与原执行器件无缝对接。因此对手术室原电气设施和暖通设备的控制信息研究，在不影响手术室总体结构的情况下，采用模数电子、模块单片机的编程控制技术，研制新的手术室信息面板，在功能上完全替代原有系统，使医院手术室工作能够照常开展，避免手术室墙体改造带来的不便和费用支出，而且此电路可为其他医院设计手术室暖通控制电路提供技术参考[12]。

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The transformed design and application of HVAC control panel in operating room of hospital/

ZHU Xing-xi, WANG Chang-ling, ZHANG Lian-fei, et al//
China Medical硕士Equipment,2017,14(10):4-7.授。

Objective: To replace the original faulty information panel so as to be convenient for operation of medical staff through used the existed execution system of heating ventilation air conditioning (HVAC) equipment to achieve transformed design with lowest cost for the control plate of HVAC in modern operation room. Methods: The new transformed plate of operation room, which was researched and developed by adopting microprogram control unit,programming technique, simulated and digital technique, could seamless joint and control the original HAVC and relative execution equipment. Results: The new information plate has recovered the control and execution system of HAVC in original operation room, and it saved nearly one million Yuan cost of information plate and equipment for operation room of hospital. Besides, it also indirectly saved millions Yuan of transformed cost of operation room. Conclusion: Under the normal using of the operation room without being affected, the circuit design, programming and installation of information plate are realized in shortest time. The design not only accumulates technique experience but also provide technique reference for the similar transformation in other hospitals.

Micro programmed control unit; Pulse width modulation; Operating room; Control panel; Execution system of heating ventilation air conditioning

Department of Medical Engineering, Nanjing General Hospital of Nanjing Military Command, Nanjing, 210002,China

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.10.002朱兴

2017-05-06

1672-8270(2017)10-0004-04

R197.39

A

①南京总医院医学工程科 江苏 南京 210002

*通讯作者：shootgunmm@126.com