急救和生命支持設備后備電池自動維護裝置的研制

劉長水

北京京煤集團總醫(yī)院 醫(yī)學工程部，北京 102300

急救和生命支持設備后備電池自動維護裝置的研制

劉長水

北京京煤集團總醫(yī)院 醫(yī)學工程部，北京 102300

目的 研制一種急救生命支持設備的后備電池自動維護裝置，確保急救生命支持設備在突然斷電情況下的不間斷使用。方法 裝置由后備電池自動周期維護單元、電池放電電壓采樣單元、交流電與電池自動切換單元、交流電停電報警單元以及電池極限低電壓報警單元組成。采用AT89S51單片機控制該裝置自動對后備電池進行維護。結果 本裝置在使用過程中，按照設定的程序，自動對電池進行充放電工作。同時具有電池電壓監(jiān)控功能，一旦后備電池電壓過低時，裝置發(fā)出聲光報警信號，以確保設備的正常運行使用。結論 本裝置可在各種急救生命支持設備上使用，也可應用在其他需要利用后備電池供電的非急救設備上，對于延長蓄電池使用壽命，具有廣泛地推廣作用。

電池自動維護裝置；后備電池；單片機；急救設備

0 前言

急救生命支持設備（以下簡稱為設備，包括呼吸機、除顫器、輸液泵、注射泵等）是醫(yī)院搶救治療危重病人的必備醫(yī)療設備，應保證其24h不間斷地運行。特別是在遇到突然停電斷電的情況下，能夠利用機器自帶的后備電池供電，以確保對危重病人的搶救和治療的不間斷進行[1]。

北京市衛(wèi)生局《北京地區(qū)醫(yī)院管理考核評價標準實施細則》2009版要求，醫(yī)院要保障設備處于完好狀態(tài)，急救生命支持系統(tǒng)儀器設備要保持完好[2]。

1 常用后備電池的特性

(1)目前醫(yī)院急救生命支持設備上配備的后備電池。大都為免維護可充電電池（即二次電池也稱蓄電池），該類電池可反復充放電，實現(xiàn)電能和化學能之間的可逆轉換，達到能量的儲存和釋放[3]。

電池是一種化學電源，是在氧化還原的電化學過程中將化學能轉化為電能?；瘜W電源主要由正極、負極和電解質構成。蓄電池工作時，正極和負極發(fā)生的反應均是可逆的?？梢酝ㄟ^充放電的方式使兩個電極的活性回復到初態(tài)，使蓄電池具有再次使用的功能。當蓄電池充電時，電能轉變?yōu)榛瘜W能儲存在蓄電池中；蓄電池放電時，化學能轉變?yōu)殡娔?，實現(xiàn)向負荷供電過程[4]。

(2)根據蓄電池的結構不同，目前市場上蓄電池的主流產品主要有4類：鉛酸（LA）蓄電池、鎳鎘（NiCd）蓄電池、氫鎳（NiMH）蓄電池、鋰離子（Li-Ion）蓄電池。其中鉛酸蓄電池由于生產歷史悠久（1859年發(fā)明，至今已有150多年歷史），具有技術成熟、成本低廉、電池內阻小、放電電流密度大、自放電緩慢、放電工作電壓平穩(wěn)、工作溫度范圍寬、跟隨負荷輸出特性好等優(yōu)點，仍作為蓄電池中的主要產品被廣泛使用[4]。

早期生產的普通鉛酸蓄電池存在使用壽命短、效率低、維護復雜，產生的酸霧污染環(huán)境等問題，已逐漸被VRLA蓄電池所取代。

(3) VRLA蓄電池，即閥控式密封鉛酸（Valve Regulated Lead Acid 簡稱VRLA）蓄電池，是20世紀70年代發(fā)展起來的一種新型結構的蓄電池。VRLA蓄電池整體采用密封結構，解決了酸液和酸霧易于外溢的技術難題，加之可以免除以往蓄電池需補水維護的過程，故也稱為“免維護”蓄電池。由于免維護蓄電池安裝方式不受限制，可以任意方向放置，使用極為方便，因此可以與電子設備放在一起使用，廣泛應用于通信、不間斷電源（UPS）、安全報警、應急燈、電子設備、醫(yī)療設備等領域[5]。

(4)“免維護”蓄電池并不是不要任何維護，為了提高VRLA蓄電池的使用壽命，除了免除補水維護外，其他方面的維護與普通鉛酸蓄電池是一樣的，包括定期檢查蓄電池的狀態(tài)、定期對蓄電池進行充放電操作維護[6]。

在影響VRLA蓄電池使用壽命的諸多因素中，長期浮充電是重要的影響因素之一。VRLA蓄電池處于長期的浮充電狀態(tài)下，只充電，不放電，這種工作狀態(tài)會造成VRLA蓄電池的陽極極板鈍化，使電池內阻急劇增大，容量大幅下降，造成VRLA蓄電池的實際容量（AH）遠遠低于其標準容量，從而導致VRLA蓄電池所能提供的實際后備供電時間大大縮短，甚至為零[4]。

(5)目前無論是進口設備或是國產設備，都沒有為后備電池設計自動維護裝置。特別是在不經常停電的醫(yī)院里，為了保障電池電量充足，設備長期使用交流電供電，使得后備電池處于長期浮充電狀態(tài)，不能進行正常的充放電維護，造成了后備電池的供電性能下降，甚至失去功能。當真正遇到停電需要后備電池供電時，又會因電池功能喪失而使設備無法發(fā)揮作用，延誤或失去對危重患者的搶救時機，造成極大的甚至無法挽回的損失[7,8]。

2 實現(xiàn)原理

研制的后備電池自動維護裝置結構，如圖1所示。由AT89S51組成的單片機控制器、交流電通斷控制繼電器、輸入輸出設備（電源及信號輸入輸出接口、按鍵、BCD數字開關、LED數碼顯示器）、電池電壓檢測電路、報警電路、電源變換整流器等組成。單片機控制器根據設定的時間周期，定時對交流電通斷來控制繼電器的通斷，同時實時監(jiān)測后備電池的電壓，當電池電壓下降到規(guī)定的低限值時，自動轉為交流電供電，達到對后備電池進行自動維護的目的。裝置還設計了交流電停電和電池失效報警器。

圖1 后備電池自動維護裝置結構示意圖

3 硬件設計

3.1單片機控制器[10-12]

單片機控制器由單片機、電壓比較器、聲光報警電路、繼電器控制電路等組成。

3.1.1 單片機。采用AT89S51型單片機，MCS-51匯編語言編寫程序。

3.1.2 電壓比較器。采用1/4 LM339電壓比較器，使用其中兩組。

3.1.3 聲光報警電路。采用φ5mm LED發(fā)光二極管和5V蜂鳴器組成聲光報警電路。

3.1.4 繼電器控制電路。由5V小型直流繼電器、8550 PNP型三極管、1N4008二極管組成。

3.2 控制繼電器

采用12V中間繼電器，觸點容量為220V 、10A。

3.3 輸入輸出設備

包括交流電源輸入輸出插座、電池檢測信號插座、START和RESET按鍵，兩位BCD數字按鍵開關（用于設定維護時間），兩位共陽極LED數碼顯示器（用于顯示設定的時間）。

3.4 電源變換器

電源變換器由一體化電源模塊和濾波電容組成，為單片機控制器供電。

3.5 各模塊功能

3.5.1 控制模塊。由AT89S51 單片機控制本裝置的工作。

3.5.2 電池電壓檢測模塊。由1/4 LM339電壓比較器組成，用以實時檢測后備電池的實際電壓。

3.5.3 交流電通斷控制模塊。由繼電器組成，用以控制設備交流電源的通斷。

3.5.4 電源模塊。由一體化電源和濾波電容組成，采用LFP-20S12W 型一體化電源，輸入電壓交流85～265V，輸出電壓為直流12V。

3.5.5 顯示模塊。采用兩位共陽極LED數碼顯示器組成。

3.5.6 電池電壓過低報警模塊。由1/4 LM339電壓比較器、8550 PNP型三極管、 1N4008型二極管、 5V小型直流繼電器、 LED發(fā)光二極管、 5V蜂鳴器等組成。一旦電池電壓低于規(guī)定值后，報警模塊發(fā)出聲光報警信號。

3.5.7 電網停電報警模塊。由8050 NPN型三極管、1N4008型二極管、5V小型直流繼電器、LED發(fā)光二極管、5V蜂鳴器等組成。一旦市電供電系統(tǒng)發(fā)生停電時，報警模塊發(fā)出聲光報警信號。

3.5.8 設置模塊。采用兩位BCD數字撥盤開關對裝置自動維護的間隔時間進行設置，兩次維護的間隔可設置為1～99天。

4 軟件設計

本裝置控制程序流程如圖2所示。

圖2 控制程序流程圖

5 工作原理[13-16]

交流電源進入本裝置后分為兩路：一路經電源變換整流器輸出12V直流電壓供單片機控制器使用；另一路經由控制繼電器的常閉接點至輸出插座，為所連接的設備供電使用，（如圖3所示）。

單片機控制器得電并接收到START按鍵的信號后，進入工作狀態(tài)。根據兩位BCD數字按鍵開關設定的維護時間進行運行，待到達設定的時間后，單片機向控制繼電器發(fā)出信號，控制繼電器吸合，常閉接點斷開，模擬電網停電，使設備利用后備電池進行逆變供電工作。

圖3 電源供電電路示意圖

在單片機控制器內設有由1/4 LM339組成的電壓比較器，從電池檢測信號輸入插座上檢測電池的電壓，（如圖4所示）。設備后備電池的供電能力隨時間的延長而降低，當其電壓降低到比較器設定的電壓翻轉閾值（10.7V）時，比較器輸出由高電位變?yōu)榈碗娢?，此信號傳送到單片機P3.1口，則單片機P3.3口輸出“1”，8550截止，繼電器K1由吸合狀態(tài)變?yōu)獒尫?，繼而使控制繼電器K3掉電釋放，其常閉接點閉合，使設備繼續(xù)由交流電供電工作。

圖4 電池電壓檢測電路示意圖

圖5 報警電路示意圖

在單片機控制器內還設計有兩路聲光報警電路[17]，（如圖5所示）：一路由1/4 LM339組成電壓比較器，實時檢測設備后備電池的電壓。當檢測到的電池電壓接近電池的終末電壓（10.5V）時，單片機P3.4口輸出“0”，8550導通，繼電器K4吸合，發(fā)出“電池電壓低”的聲光報警信號，提醒管理人員更換電池。另一路報警電路監(jiān)測電網的供電情況，一旦發(fā)生電網停電，設備立即改由后備電池供電。由于電網停電，由電源變換模塊提供的直流12V電壓變?yōu)榱?，繼電器K2釋放，其常閉接點K2-1閉合，發(fā)光二極管和蜂鳴器發(fā)出“電網停電”的聲光報警信號，提醒管理人員進行必要的處理。

6 工作過程

使用時，將急救生命支持設備的電源插頭插在本裝置的電源輸出插口上，將設備后備電池的正負極分別引出接在本裝置的信號接口上。將本裝置接上220V交流電源，設定自動進行維護的時間（1～99天），開啟本裝置的電源開關后，即可實現(xiàn)對后備電池進行自動充放電的維護。按下啟動按鍵，設備正常工作。當到達設定的維護時間時，本裝置自動切斷交流電壓輸出，模擬停電狀態(tài)，設備改由后備電池供電工作。隨著時間的延長，后備電池電壓逐漸降低，一旦降低到裝置設計的電壓閾值時，單片機控制器自動轉換為交流電供電。

7 應用效果

使用本裝置后，可以自動實現(xiàn)對設備后備電池的維護，定期對后備電池進行充放電操作，延長后備電池的使用期限，提高電池的使用效率和性能。由于實現(xiàn)了自動維護功能，減輕了操作人員的勞動強度。

當電網停電時，在由后備電池供電的同時，本裝置會發(fā)出“電網停電”的聲光報警信號，通知管理人員。

當后備電池性能嚴重下降，電壓到達電池的終末電壓閾值時，本裝置會發(fā)出“電池電壓低”的聲光報警信號，通知技術人員更換電池。

8 結束語

本裝置的研制和應用，大大改善和提高了急救生命支持設備后備電池的電氣性能，不僅可以實現(xiàn)對后備電池的定時地自動維護，也減輕了人工維護的勞動強度，更重要的是對電池的電壓參數可以進行定量的監(jiān)測，確保電池的性能，保證急救生命支持設備真正隨時處于完好狀態(tài)。對于提高危重患者的救治率，進一步確保急救設備的安全性能，具有重要意義。

[1] 譚宏峰,蔣德林.急救設備的使用與常見故障維護[J].醫(yī)療設備信息,2005(5):69.

[2] 北京地區(qū)醫(yī)院管理考核評價標準實施細則[S].2009版.北京:北京市衛(wèi)生局,2009:131-132.

[3] 楊軍,解晶瑩,王久林.化學電源測試原理與技術[M].北京:化學工業(yè)出版社,2006(4):1-2.

[4] 周志敏,周紀海,紀愛華.閥控式密封鉛酸蓄電池實用技術[M].北京:中國電力出版社,2004:1-21.

[5] 劉廣林.鉛酸蓄電池工藝學概論[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

[6] 王志奇,徐興良,張紅.淺析醫(yī)院中心機房安全穩(wěn)定運行的必要因素[J].醫(yī)療設備信息,2007(1):33.

[7] 趙亞舒.例說醫(yī)學工程技術人員與醫(yī)護人員的配合與溝通[J].醫(yī)療設備信息,2006(7):95.

[8] 方燦亮.做好醫(yī)用電子設備的保養(yǎng)工作[J].中國醫(yī)療設備,2009(1):88.

[9] 余永權.ATMEL89系列Flash單片機原理及應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2000.

[10] 何立民.MCS51系列單片機應用系統(tǒng)設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,1990.

[11] 夏繼強,邢春香.單片機應用設計培訓教程(實踐篇)[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.

[12] 何兵.自動控制原理及應用[M].成都:西南交通大學出版社,2008.

[13] 高吉祥.模擬電子技術[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[14] 吳援明,唐軍.模擬電路分析與設計基礎[M].北京:科學出版社,2006.

[15] 唐光華,皺壽彬.電子技術基礎數字部分[M].第4版.北京:高等教育出版社,2004.

[16] 宋家友,張友漢.新編電子線路設計實用手冊[M].福州:福建科學技術出版社,2007.

[17] 崔海波,嚴紅劍,徐秀林.醫(yī)用電子設備報警系統(tǒng)的研究[J].中國醫(yī)療設備,2009(1):45.

The Development of Backup Battery Automatic Maintenance Device for First-Aid and Life-Support Medical Equipment

LIU Chang-shui
Medical Engineering Department,Beijing Jingmei Group General Hospital, Beijing 102300, China

Objective To develop a backup battery automatic maintenance device for first-aid and lifesupport medical equipment,which can keep the equipment working while interruption of power supply.Methods The device consists of backup battery automatic maintenance unit, battery discharge voltage sampling unit, AC and battery auto switch unit, AC power failure alarm unit and battery limited low voltage alarm unit. Adopted AT89S51 single chip machine to automatic maintain backup battery.Results According to the control procedure, the device can automatic charge and discharge.Besides,it can monitor the voltage of the battery. Conclusion The device can be used in sundry first-aid and life-support medical equipment and other equipment which need to use backup battery.

battery automatic maintenance device; backup battery; single chip machine; first-aid equipment

TM910.7；TM912

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.12.005

1674-1633(2010)12-0010-03

2010-07-19

2010-09-26

專利：國家知識產權局實用新型專利(201020183442.1)。

作者郵箱：liuchangshui@sina.com