醫(yī)院專用刷卡與投幣式微波爐設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用

朱興喜 徐 敏 趙 琨 王星星 湯黎明 于春華*

醫(yī)院專用刷卡與投幣式微波爐設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用

朱興喜① 徐 敏② 趙 琨③ 王星星① 湯黎明① 于春華①*

目的：介紹醫(yī)院專用刷卡或投幣微波爐電子線路的設(shè)計(jì)原理，了解和掌握其工作原理及使用方法。方法：采用現(xiàn)有的微波爐進(jìn)行電路改造，再與刷卡器和投幣器相結(jié)合，使用單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)微波爐的刷卡與投幣功能。結(jié)果：刷卡與投幣式微波爐能夠根據(jù)預(yù)定的模式實(shí)現(xiàn)IC卡刷卡或投幣使用，在其實(shí)際使用中能夠做到可控制、可管理。結(jié)論：醫(yī)院對(duì)于微波爐的制度化、智能化管理，可促進(jìn)其延長(zhǎng)使用壽命，改進(jìn)后的刷卡與投幣式微波爐值得在各級(jí)醫(yī)院推廣使用。

刷卡器；投幣器；微波爐；原理

[First-author’s address] Department of Medical Engineering, Nanjing General Hospital of Nanjing Command, Nanjing 210002, China.

在醫(yī)院住院場(chǎng)所，通常準(zhǔn)備了可供患者或家屬使用的微波爐，做到人性化管理。目前，醫(yī)院免費(fèi)使用的微波爐使用率較高，其損壞率也非常高，除患者或家屬使用不當(dāng)外還缺乏節(jié)儉的意識(shí)，醫(yī)院對(duì)微波爐的維修投入了大量人力和財(cái)力，造成很大浪費(fèi)。為此，醫(yī)院專用刷卡與投幣式微波爐的應(yīng)用，既給使用者帶來(lái)了方便，又規(guī)范了公共設(shè)施的管理，受到廣大患者、家屬和醫(yī)護(hù)人員的一致認(rèn)可和好評(píng)。

1 醫(yī)院專用刷卡與投幣式微波爐結(jié)構(gòu)

醫(yī)院專用刷卡與投幣式微波爐，由刷卡與投幣控制器和微波爐兩部分構(gòu)成。當(dāng)用戶在刷卡或投入硬幣后控制器會(huì)給微波爐供電，同時(shí)顯示剩余倒計(jì)時(shí)時(shí)間；微波爐的加熱方式與家用微波爐相同。

2 微波爐的結(jié)構(gòu)改裝及電路原理

常用的家用微波爐是獨(dú)立工作的加熱裝置，其主要由爐腔體、微波管、門(mén)控制、定時(shí)器、火力控制器和振蕩直流電路等組成。微波爐工作原理是在微波爐里面安裝有一個(gè)微波發(fā)生器，該器件由一種電子真空管—磁控管產(chǎn)生2450 MHz的超短波電磁波，通過(guò)微波傳導(dǎo)元件—波導(dǎo)管發(fā)射到爐內(nèi)各處。電磁波是變化的磁場(chǎng)和變化的電場(chǎng)交替變換而產(chǎn)生，其頻率非常高。在高頻率交替變化的電磁場(chǎng)作用下食物分子中的正負(fù)帶電微細(xì)粒子隨電磁場(chǎng)的變化而不斷運(yùn)動(dòng)，稱為極化。在反復(fù)極化的作用下分子間相互碰撞、磨擦而產(chǎn)生熱能，使食物被加熱。在微波爐內(nèi)食物均從其內(nèi)部開(kāi)始加熟，其有效穿透深度約為12 cm，而金屬外殼能有效屏蔽電磁波。微波爐的頻率是2450 MHz，電場(chǎng)方向每秒鐘變化24.5億次，其生成的熱量之大是其他爐灶的4～10倍，熱效率高達(dá)80%以上。

改裝后微波爐的電路原理圖如圖1所示。

圖1 改裝后微波爐電原理圖

圖1 中F1是保險(xiǎn)絲，常用規(guī)格為10 A，限制整機(jī)電流和短路電流。ST是熱保護(hù)器，當(dāng)溫度下降到下限溫度后可自動(dòng)恢復(fù)接通，并安裝在磁控管外殼上面，監(jiān)控磁控管工作溫度，防止長(zhǎng)期工作溫度過(guò)高損壞磁控管。S1、S2是門(mén)鎖監(jiān)控開(kāi)關(guān)，防止微波爐泄漏。當(dāng)爐門(mén)關(guān)閉不嚴(yán)、有異物卡住時(shí)微波爐則不工作。S3是連鎖監(jiān)控開(kāi)關(guān)，當(dāng)S1、S2損壞且短接時(shí)則S3接通，燒斷保險(xiǎn)，防止微波爐未關(guān)閉爐門(mén)工作。S4為定時(shí)器開(kāi)關(guān)，是微波爐工作的總電源開(kāi)關(guān)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)定時(shí)器定時(shí)后其爐燈必須亮，同時(shí)微波爐開(kāi)始工作。M1、S4、S5組成功率控制總成，S4、S5是功率控制器內(nèi)部?jī)蓚€(gè)獨(dú)立開(kāi)關(guān)，在功率控制時(shí)串聯(lián)工作。M1是火力調(diào)節(jié)電機(jī)，通過(guò)凸輪控制S4、S5的通斷，在S4接通時(shí)通過(guò)S5的通電時(shí)間來(lái)控制微波管工作間隔時(shí)間。M2是轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī)，在關(guān)閉爐門(mén)后轉(zhuǎn)動(dòng)加熱盤(pán)，使加熱食品均勻。M3是風(fēng)扇電機(jī)，為磁控管和變壓器散熱。高壓變壓器T的初級(jí)為L(zhǎng)1，次級(jí)為L(zhǎng)2、L3，組成了大功率升壓變壓器。L1初級(jí)接入220 V交流電；L2次級(jí)輸出2000 V左右交流高壓，其一端接變壓器鐵芯，也就是外殼，另一端單獨(dú)接高壓電容。L3一組次級(jí)輸出4 V左右的交流電壓，給磁控管陰極燈絲供電。高壓電容器C(規(guī)格為1μF/2100 V交流電，內(nèi)部并聯(lián)了1個(gè)10 MΩ的電阻)和高壓二極管VD與L2組成高壓直流產(chǎn)生電路。圖1顯示，VD一端通過(guò)微波爐金屬與磁控管外殼相連，L2通過(guò)變壓器矽鋼片與外殼相連，通過(guò)變壓器、二極管和電容器將民用電壓從220 V提升到直流3000 V以上，通過(guò)導(dǎo)線將高壓電送往磁控管。高壓電被傳送到陰極燈絲。燈絲變熱后發(fā)射出電子，被外圍帶正電的陽(yáng)極板所吸引。大磁鐵塊施加的磁場(chǎng)使向外流動(dòng)的電子云旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中電子云形成“輪輻”狀，從陽(yáng)極板之間的每個(gè)空腔中穿過(guò)。移動(dòng)電子云“輪輻”將負(fù)電荷傳遞給空腔，循環(huán)往復(fù)。負(fù)電荷的反復(fù)增減在空腔內(nèi)產(chǎn)生出2.45 kMHz的振蕩電磁場(chǎng)。磁控管上的天線以這一頻率發(fā)生諧振，經(jīng)由波導(dǎo)管進(jìn)入爐腔。

線路改裝內(nèi)容為：①在保險(xiǎn)絲F1后增加總控制開(kāi)關(guān)S；②將定時(shí)器開(kāi)關(guān)S4和功率控制開(kāi)關(guān)S5短接，其他無(wú)需改動(dòng)?？偪刂崎_(kāi)關(guān)S在投幣與刷卡控制器內(nèi)，其工作原理與改裝前相同。

2.1 投幣器結(jié)構(gòu)和原理

投幣器是一種通過(guò)檢測(cè)硬幣中含鐵量的大小區(qū)分真假幣的電子測(cè)量?jī)x器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、安全性高和抗干擾等特點(diǎn)。主要由4個(gè)功能模塊組成，其外觀如圖2所示。

圖2 投幣器外觀示意圖

(1)產(chǎn)生高頻方波的振蕩電路。該模塊是由振蕩電路和高頻耦合電路組成，當(dāng)無(wú)鐵質(zhì)品進(jìn)入投幣盒時(shí)高頻方波振蕩電路輸出穩(wěn)定的頻率信號(hào)；當(dāng)有鐵質(zhì)品進(jìn)入投幣盒時(shí)磁介質(zhì)的變化引起高頻線圈電感值發(fā)生變化，使振蕩電路輸出的信號(hào)頻率隨之變化。通過(guò)檢測(cè)變化值可分辨錢(qián)幣的進(jìn)入、真?zhèn)渭懊嬷怠?/p>

(2)用于控制真、假幣流向的電磁閘門(mén)。電磁閘門(mén)是直流電磁閥控制的閘門(mén)，當(dāng)檢測(cè)投幣為真則打開(kāi)閘門(mén)，讓真幣通過(guò)；如果為假幣則從退幣口退出。

(3)檢測(cè)硬幣投入過(guò)程中的光電傳感器。光電傳感器由若干個(gè)光敏二極管組成，用于檢測(cè)硬幣是否按設(shè)定的流程投入，同時(shí)檢測(cè)投幣器有無(wú)堵幣、損壞和其他物品堵塞現(xiàn)象。

(4)檢測(cè)與控制系統(tǒng)集中控制單元?？刂坪蜋z測(cè)投幣器并輸出控制信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)光敏二極管的信號(hào)判斷硬幣投入與否，檢測(cè)高頻振蕩電路輸出的高頻信號(hào)判斷硬幣的真?zhèn)魏兔嬷?，控制電磁閘門(mén)的開(kāi)關(guān)使真幣通過(guò)，假幣退出。

2.2 刷卡電路與微處理電路的原理

刷卡電路由非接觸式IC卡(射頻卡)和讀卡處理器組成。IC卡將具有存貯、運(yùn)算等功能的集成電路芯片壓制在塑料片上，使其成為能存貯、轉(zhuǎn)載、傳遞和處理數(shù)據(jù)的載體。芯片電源接口連接著線圈和電容，也嵌入在塑料中，形成了一張無(wú)源的無(wú)線智能卡。智能卡無(wú)需電池，當(dāng)其靠近讀寫(xiě)裝置的天線時(shí)讀卡機(jī)采用發(fā)射交變磁場(chǎng)的形式向IC卡提供能量，IC卡上的感應(yīng)線圈接收交變磁場(chǎng)能量，卡片內(nèi)有LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫(xiě)器發(fā)射的頻率相同。在電磁波激勵(lì)下LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內(nèi)產(chǎn)生電荷。在電荷的另端，接有單向?qū)ǖ碾娮颖茫瑢㈦娙輧?nèi)的電荷送到另一電容內(nèi)存儲(chǔ)，當(dāng)所積累的電荷達(dá)到2 V時(shí)，此電容可作為電源為芯片電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接受讀寫(xiě)器的數(shù)據(jù)。

讀卡處理器由天線與耦合電路、微控制處理器、讀寫(xiě)專用電路和外圍電路組成。天線與耦合電路將以一定頻率的電磁波發(fā)射，在讀寫(xiě)卡區(qū)域產(chǎn)生滿足耦合功率的磁通量，既為IC卡提供電源又與IC卡傳輸信息。讀卡器的射頻芯片為MFRC500，適用于各種基于ISO/IEC14443A標(biāo)準(zhǔn)，且適應(yīng)低成本、小尺寸、高性能以及單電源的非接觸式通信的應(yīng)用場(chǎng)合。微控制處理選用的通常是STC89C52RC單片機(jī)或AT89C52/51單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)非接觸式IC卡的控制是以單片機(jī)發(fā)出指令通過(guò)MFRC500實(shí)現(xiàn)，但非簡(jiǎn)單的指令所能完成，必須通過(guò)程序在MFRC500收到指令后執(zhí)行其指令來(lái)完成讀寫(xiě)等。

微處理電路與讀卡芯片、投幣器電路、按鍵輸入電路和顯示電路相連。該電路的PCB板設(shè)計(jì)如圖3所示。

顯示電路主要元器件為T(mén)M1620，是LED驅(qū)動(dòng)控制專用電路，實(shí)現(xiàn)8段6位顯示模式，可以顯示時(shí)間和錯(cuò)誤代碼。當(dāng)IC卡進(jìn)行刷卡時(shí)自動(dòng)判斷和讀出卡信息并保存在RAM中，同時(shí)控制繼電器工作，為微波爐供電和顯示電路4 min倒計(jì)時(shí)。在程序中對(duì)同一張IC卡進(jìn)行刷卡控制，每日24 h內(nèi)只允許同一張卡刷卡3次，刷卡間隔＞1 h，零點(diǎn)自動(dòng)復(fù)位?？刂瞥挚ㄈ瞬豢梢淮涡运⒖?次，管理和控制長(zhǎng)時(shí)間占用微波爐，影響他人的正常使用。當(dāng)投幣器判斷有真幣信號(hào)時(shí)會(huì)向微處理器產(chǎn)生中斷信號(hào)和0.5元、1元的信號(hào)，微處理器進(jìn)行處理后在顯示電路中顯示2 min和4 min的倒計(jì)時(shí)，同時(shí)控制繼電器工作，為微波爐供電。

3 醫(yī)院專用刷卡與投幣式微波爐的應(yīng)用

在微波爐右側(cè)有投幣、刷卡和數(shù)碼顯示窗口，其性能特點(diǎn)為：①設(shè)計(jì)者可以根據(jù)需要設(shè)定與單位幣值相對(duì)應(yīng)的通電時(shí)間(1～99 min可調(diào))；②不改變?cè)⒉üδ?，且使用時(shí)的功率為最大；③能夠自動(dòng)識(shí)幣，可防偽幣、防釣幣和防電擊；④雙鎖設(shè)計(jì)，防撬、防盜，錢(qián)箱可容納硬幣350枚左右；⑤微波爐和控制器合為一體，使用方便。

醫(yī)院為每位住院患者發(fā)一張微波爐IC卡(需交押金)，規(guī)定每日3次免費(fèi)刷卡，每次刷卡使用4 min，如超過(guò)次數(shù)則需投幣方可使用。在成本合算后以最大功率700 W計(jì)算，每臺(tái)微波爐每月收益為：0.95(元)×10(次)×30(日)＝285元。通過(guò)半年試用初見(jiàn)成效，成本基本收回。

微波爐在使用中應(yīng)注意：①不能夠安裝在離水源近的位置；②須安裝在牢固、不易震動(dòng)、不易燃材料的臺(tái)面上，以免導(dǎo)致火災(zāi)或人身傷害事故；③不應(yīng)堵塞微波爐進(jìn)出風(fēng)口；④發(fā)生故障應(yīng)立即切斷電源，停止使用并及時(shí)維修；⑤禁止用香蕉水、酒精等腐蝕性液體擦洗外殼，如有污染可在斷電的情況下用濕毛巾沾肥皂水清洗；⑥非專業(yè)維修人員切勿自行拆修。

4 結(jié)語(yǔ)

醫(yī)院專用刷卡與投幣式微波爐作為一種智能型微波爐適宜在醫(yī)院臨床科室使用，在其使用中既方便管理又可減少投入，可提高醫(yī)院的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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The working principle and application of the hospital dedicated credit card or coin-operated microwave

/ZHU Xing-xi, XU Min, ZHAO Kun, et al// China Medical Equipment,2014,11(2):55-57.

Objective: Through understanding of the electronic circuit design principles to understand the working principle and application of the hospital dedicated credit card or coinoperated microwave. Methods: Combine with a credit card or coin box to remake the circuit of microwave, and use single-chip to control and use microwave. Results: According to a predetermined pattern use IC card or coin to use and control microwave oven. Conclusion: Institutionalize and institutionalize the use of the microwave can extend its life. It can provide a reference for other hospital choosing microwave.

Credit card; Coin box; Microwave; Working principle

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.02.020

1672-8270(2014)02-0055-03

R197.39

A

2013-07-15

①南京軍區(qū)南京總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科 江蘇 南京 210002

②南京軍區(qū)南京總醫(yī)院兒科 江蘇 南京 210002

③南京軍區(qū)南京總醫(yī)院干部?jī)?nèi)分泌科 江蘇 南京 210002

*通訊作者：274933102@qq.com

朱興喜,男,(1963- ),碩士，高級(jí)工程師、教授。南京軍區(qū)南京總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備協(xié)會(huì)理事會(huì)理事，從事醫(yī)院醫(yī)療設(shè)備的管理、技術(shù)保障、質(zhì)量控制、教學(xué)和科研工作，研究方向：臨床醫(yī)學(xué)工程。