基于STC15F2K60S2單片機(jī)的注射泵或輸液泵接線安全轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì)?

趙 蕾，樊紅彬，鄭天雷，李運(yùn)運(yùn)，王宏莉，宋 軍

(徐州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院，江蘇 徐州 221000)

在醫(yī)學(xué)臨床和動(dòng)物試驗(yàn)中靜脈輸液作為臨床治療的常用給藥手段，與其相匹配的注射時(shí)長、精準(zhǔn)程度、微量控制能力等成為左右治療效果的關(guān)鍵因素[1]。在人工輸液控制的情況下無法長時(shí)間穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)以上所有功能，故微量注射泵和輸液泵的使用得到了臨床重視，近些年來隨著其造價(jià)日益低廉，除去在手術(shù)室、ICU 等重點(diǎn)科室以外，在普通臨床科室和各個(gè)實(shí)驗(yàn)室機(jī)構(gòu)也得到廣泛應(yīng)用[2－6]。

由于該類設(shè)備的工作特點(diǎn)是需要長時(shí)間執(zhí)行輸液任務(wù)，當(dāng)輸液管路或注射器本身難以長時(shí)間承受工作任務(wù)發(fā)生破裂時(shí)，管路中的液體就會(huì)隨著設(shè)備機(jī)身流入電源插槽，導(dǎo)致設(shè)備電源短路燒毀而直接報(bào)廢，給醫(yī)院和各實(shí)驗(yàn)室機(jī)構(gòu)造成不必要的資產(chǎn)損失[7－8]。

本研究提出一種簡單、安全、操作性強(qiáng)且針對注射泵和輸液泵而設(shè)計(jì)的接線安全轉(zhuǎn)換裝置，該裝置一方面從物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度解決電源插槽液體滲漏問題，另一方面其內(nèi)部設(shè)計(jì)有電源檢測與保護(hù)系統(tǒng)，一旦設(shè)備供電異常時(shí)，自動(dòng)跳開市電保護(hù)設(shè)備，使用安全。

1 接線安全轉(zhuǎn)換器外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 主要部件構(gòu)成

本研究設(shè)計(jì)外觀結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)化器插槽、插頭、觸點(diǎn)、主體、集線器、復(fù)位開關(guān)和防水墊圈等組成，見圖1～圖4。

圖1 注射泵或輸液泵示意圖

圖2 安全轉(zhuǎn)換器立體圖角度1

圖3 安全轉(zhuǎn)換器立體圖角度2

圖4 集線器放大圖

1.2 主要部件位置與結(jié)構(gòu)

如圖1～圖4 所示，在裝置頂端轉(zhuǎn)換器插槽3 和底端的插頭5 均執(zhí)行我國通用的國標(biāo)三插電源線種類及執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)RVVZ－3P 標(biāo)準(zhǔn)。為了杜絕液體與各種泵類設(shè)備接觸的隱患，該裝置在底端插頭5 以上部分，整個(gè)裝置的底面，加裝一圈防水墊圈9。為保證在拔插轉(zhuǎn)接裝置時(shí)的穩(wěn)固性，裝置主體靠下部分設(shè)計(jì)了6 圈凹凸構(gòu)成的防滑紋路4。為了監(jiān)測到實(shí)時(shí)市電電壓情況，在裝置主體上部安裝有電子數(shù)碼管10 用于顯示電壓實(shí)時(shí)情況。因?yàn)槲覀冊谘b置內(nèi)部設(shè)置了市電電源保護(hù)模塊，在監(jiān)測到市電電源異常會(huì)自動(dòng)跳開保護(hù)開關(guān)11。除此以外，在工作中經(jīng)常出現(xiàn)電源線因?yàn)闆]有固定導(dǎo)致脫落或者折損，因此在裝置主體下部加了輔助集線器7，其具體由集線器主體7－1，線槽7－2，擋板7－3 組成，線槽7－2 內(nèi)徑略小于電源線外徑，擋板采用具有一定彈性的塑膠材料，通過自身彈性卡住電源線，保證固定效果。

2 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部電源檢測與保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電源檢測系統(tǒng)由STC15F2K60S2 微處理器主控芯片、供電模塊、電壓值檢測模塊、電壓顯示模塊、交流電切斷模塊組成，如圖5所示，主控芯片STC15F2K60S2 單片機(jī)是轉(zhuǎn)換器內(nèi)部電源檢測與保護(hù)系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)判斷異常狀況，及時(shí)切斷信號(hào)；供電模塊將220 V 的市電轉(zhuǎn)換成能夠供主控芯片使用的電壓；電壓值檢測模塊采樣信號(hào)進(jìn)行分析處理，將結(jié)果輸送至主控芯片；同時(shí)主控芯片通過E104－BT40 藍(lán)牙模塊發(fā)送電壓值到手機(jī)，在手機(jī)端可以查看電壓數(shù)值。電壓模塊使用TM1637 芯片和數(shù)碼管供醫(yī)務(wù)人員實(shí)時(shí)觀測電壓數(shù)值；交流電保護(hù)模塊對市電異常情況進(jìn)行監(jiān)測，保護(hù)電路[9－10]。

圖5 接線安全轉(zhuǎn)換器功能框圖

2.1 單片機(jī)控制器介紹

該裝置微處理器采用南通宏晶科技公司生產(chǎn)的STC15F2K60S2 單片機(jī)，對比傳統(tǒng)的89 系列單片機(jī)，該款單片機(jī)能夠完全兼容其指令代碼，除此以外具有以下幾個(gè)明顯優(yōu)勢:(1)運(yùn)行速度更快，相比較89 系列提速7－12 倍；(2)內(nèi)部集成了范圍可調(diào)并可編程輸出的R/C 時(shí)鐘，省去復(fù)雜的時(shí)鐘電路，節(jié)省了設(shè)備內(nèi)部空間設(shè)計(jì)；(3)內(nèi)置了2K 字節(jié)大容量SRAM，滿足日常數(shù)據(jù)處理需要[11－13]。

微處理器是整個(gè)電源檢測系統(tǒng)的控制核心部件，主要執(zhí)行電壓信號(hào)高低判斷、市電電壓切斷、輸出信號(hào)控制和電壓值顯示等功能，如圖6 所示。

圖6 主控芯片STC15F2K60S2

其中U3 的12、14 腳分別接5 V 電源和地，3 腳ADC0 用于市電電壓經(jīng)過采樣后的數(shù)值輸入端口，1腳P2.6、2 腳P2.7 分別連接TM1637 芯片的17 腳P2.6、18 腳P2.7 負(fù)責(zé)提供數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，13 腳P5.5 連接保護(hù)電路電阻R3 負(fù)責(zé)提供切斷電源信號(hào)。

2.2 供電模塊設(shè)計(jì)

因本設(shè)計(jì)裝置需要與220 V 市電直連，故我們采取降壓和轉(zhuǎn)換的方案實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)5 V 和12 V的供電，如圖7 所示。

圖7 5 V、12 V 直流產(chǎn)生電路

2.2.1 DC12V 電源生成原理

220V 市電經(jīng)過電阻R2、電容C1 和電阻R1 限流，經(jīng)過整流橋D2，然后再經(jīng)過整流橋D2 的1 腳和4 腳給電解電容C2 充電，電解電容C2 的電壓通過穩(wěn)壓二極管D1 限壓，使電壓值最大為12 V，產(chǎn)生12 V 直流電。

2.2.2 DC5V 電源生成原理

上述產(chǎn)生的12 V 直流電通過78L05 芯片轉(zhuǎn)換為5 V 直流電輸出，圖7 中在輸入端、輸出端并聯(lián)的電容C3、電容C4 用于濾除干擾電壓。

2.3 電壓值顯示模塊設(shè)計(jì)

為了保證使用人員能夠?qū)崟r(shí)觀察到市電的實(shí)際數(shù)值，該裝置還設(shè)置有數(shù)碼管顯示模塊，為了提高電路驅(qū)動(dòng)性能和穩(wěn)定性，顯示模塊采用具有內(nèi)置上電復(fù)位電路和自動(dòng)消影的TM1637 芯片驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，其原理圖如圖8 所示。

圖8 電壓值顯示電路

電壓值顯示模塊包括數(shù)碼管10 和TM1637 芯片，TM1637 芯片的引腳15、14、13 和12 分別連接至數(shù)碼管的引腳A1、A2、A3 和A4，TM1637 芯片的引腳18 和17 分別連接主控芯片的引腳P2.7 和引腳P2.6，主控芯片將檢測到的電壓值通過TM1637 芯片，在數(shù)碼管上顯示出來。如圖3 所示，采用數(shù)碼管10，可以實(shí)時(shí)觀察到電路檢測到的電壓值，了解電路的情況。

2.4 電壓檢測模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要判別控制220 V 市電是否穩(wěn)定，為了保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，我們采用光耦TLP521－1 芯片將強(qiáng)電的采樣信號(hào)與單片機(jī)系統(tǒng)隔離[14－16]，如圖9 所示。

圖9 電壓值檢測電路

電壓值檢測模塊的二極管D4 一端連接火線，另一端并聯(lián)電解電容C5、電容C6 和電阻R5，電解電容C5 通過二極管D5 返回零線N，電阻R5 連接光耦U4，光耦U4 連接至主控芯片的引腳ADC0；電壓值檢測電路通過二極管D4 整流給電解電容C5充電，然后由二極管D5 返回零線N，電容C6 濾除高頻波，電阻R5 限制電流，光耦U4 的1 腳和2 腳為發(fā)光二極管，電壓高時(shí)，該發(fā)光二極管亮度高，電壓低時(shí)發(fā)光二極管亮度低，同時(shí)亮度傳遞至光耦U4的3 腳和4 腳檢測亮度情況，并通過引腳ADC0 將亮度的變化情況轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)傳給主控芯片識(shí)別交流電電壓值。

經(jīng)測量，當(dāng)輸入交流電壓VIN為240 V 時(shí)，VCE＝0.200 V，VADC0＝4.400 V；當(dāng)輸入交流電壓為100 V時(shí)，VCE＝0.199 V，VADC0＝1.830 V。從光耦TLP521－1 數(shù)據(jù)手冊VCE－IC曲線可知，交流電輸入電壓在100 V～240 V 時(shí)，VADC0和輸入交流電壓成近似線性，由此可推導(dǎo)出計(jì)算VADC0的公式:

VADC0＝(4.400 V/240 V)?VIN＝VIN/54.5

VIN:輸入交流電壓

VCE:4 腳到3 腳的壓降

IC:通過R6 的電流

VADC0:ADC0 處電壓值

我們將電壓正常范圍設(shè)定為210 V～240 V，當(dāng)電壓超出該范圍，微處理器給出斷電信號(hào)，按照以上公式推算，我們將微處理器3 腳VADC0正常工作電壓設(shè)定為3.8 V～4.4 V。

2.5 交流電保護(hù)模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)檢測到市電電壓異常(低于210 V 或高于240 V)，需要系統(tǒng)及時(shí)作出反應(yīng)切斷市電電源，交流電自動(dòng)切斷電路設(shè)計(jì)如圖10 所示。

圖10 220 V 交流電切斷電路

交流電切斷電路包括三極管Q1、繼電器和開關(guān)K1；正常情況下，主控芯片通過引腳P5.5 使三極管Q1 工作，12 V 直流電可以通過繼電器線圈4 腳和5腳，形成通路，繼電器工作吸合開關(guān)K1 的1 腳和3腳，使電流可以流通至輸出端口P1；當(dāng)檢測電壓異常時(shí)，主控芯片通過引腳P5.5 使三極管Q1 停止工作，然后繼電器停止吸合開關(guān)K1 的1 腳和3 腳，使1 腳與2 腳連接，繼而與端口P1 斷開，與繼電器并聯(lián)的二極管D3 給線圈的反向電動(dòng)勢提供卸電通路。

2.6 藍(lán)牙通訊模塊電路設(shè)計(jì)

使用藍(lán)牙通訊模塊，可以將檢測到的電壓值實(shí)時(shí)傳送到手機(jī)、電腦等終端，如圖11。E104－BT40模塊是一款基于藍(lán)牙4.2＋3.0 版本的串口轉(zhuǎn)雙模藍(lán)牙從機(jī)模塊，即低功耗藍(lán)牙BLE 與經(jīng)典藍(lán)牙SPP Profile，可在BLE 與經(jīng)典藍(lán)牙之間自由切換。工作在全球免許可ISM 2.4 GHz 頻段，支持1 Mbit/s～2 Mbit/s 空中速率，有效通訊距離30 m 以上。

圖11 E104－BT40 模塊應(yīng)用電路圖

E104－BT40 模塊使用通用AT 指令設(shè)置參數(shù)，操作簡單快捷。模塊僅支持藍(lán)牙從機(jī)角色，通過該模塊可以使傳統(tǒng)的低端串口設(shè)備或者M(jìn)CU 控制的設(shè)備進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，是一款低成本，簡單，可靠的數(shù)據(jù)傳輸模塊。

圖12 是E104－BT40 模塊的應(yīng)用電路圖，E104－BT40 的串口引腳TXD 和RXD 分別和STC15F2K60S2的P2.0 和P2.1 相連接，STC15F2K60S2 將檢測到的電壓值通過此串口發(fā)送到E104－BT40，E104－BT40 再通過無線傳輸將數(shù)據(jù)傳送到手機(jī)、電腦等終端。

圖12 藍(lán)牙通訊模塊

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 手機(jī)端藍(lán)牙通訊軟件設(shè)計(jì)

手機(jī)端藍(lán)牙APP 工作流程如圖13 所示。首先需要打開手機(jī)藍(lán)牙功能，然后手機(jī)自動(dòng)搜索周圍轉(zhuǎn)換器，驗(yàn)證信息后就可以獲取轉(zhuǎn)換器的檢測電壓值。

圖13 手機(jī)端藍(lán)牙APP 工作流程圖

3.2 藍(lán)牙通訊可靠性測試

由于病房醫(yī)療設(shè)備較多，電磁干擾情況復(fù)雜，所以有必要對藍(lán)牙通訊可靠性進(jìn)行測試。測試方案是:在病房安裝15 臺(tái)轉(zhuǎn)換器，一臺(tái)手機(jī)終端，15 臺(tái)轉(zhuǎn)換器依次間隔500 ms 向手機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包，每臺(tái)發(fā)送3 000 個(gè)數(shù)據(jù)包。我們通過統(tǒng)計(jì)得到表1，測試結(jié)果顯示，丟包率為0.18%，在允許范圍內(nèi)，藍(lán)牙通訊可靠性比較好。

表1 藍(lán)牙通訊測試數(shù)據(jù)

3.3 安全轉(zhuǎn)換器軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)采用基于C 語言的Keilu-Vision5 軟件，其中包括電壓值檢測模塊、電壓值顯示模塊和主控芯片控制模塊[17]，其設(shè)計(jì)流程圖如圖14 所示。

圖14 接線安全轉(zhuǎn)換器軟件工程流程圖

軟件系統(tǒng)工作流程為:當(dāng)交流電接入系統(tǒng)后，程序開始初始化數(shù)碼管顯示模塊，然后電壓值檢測模塊開始檢測交流電輸入電壓值，單片機(jī)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行計(jì)算輸入電壓值，同時(shí)通過E104－BT40 藍(lán)牙模塊發(fā)送當(dāng)前檢測到的電壓到手機(jī)、電腦等終端。當(dāng)輸入電壓值在210 V 到230 V 之間時(shí)，單片機(jī)控制繼電器接通火線，交流電供設(shè)備使用；當(dāng)輸入電壓低于210 V 或者高于230 V 時(shí)，單片機(jī)控制繼電器斷開火線，手機(jī)端藍(lán)牙APP 會(huì)響鈴提示醫(yī)護(hù)人員電壓異常。之后不斷監(jiān)測輸入電壓值，當(dāng)輸入電壓值處于正常范圍內(nèi)時(shí)再接通火線。

4 結(jié)論

很多醫(yī)院和實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)長期受到液體意外滲漏，導(dǎo)致輸液泵、注射泵等設(shè)備意外損壞的困擾。為了解決臨床工作中的此類困擾，該接線安全轉(zhuǎn)換裝置通過人性化的物理外觀設(shè)計(jì)防止液體進(jìn)入到電源插槽內(nèi)，在該裝置的內(nèi)部增加基于STC15F2K60S2 高速芯片的電壓安全檢測電路，當(dāng)供電市電的電壓在超過安全電壓范圍時(shí)能夠自動(dòng)切斷電路，避免了以上原因?qū)е碌脑O(shè)備的損壞，同時(shí)設(shè)計(jì)了無線藍(lán)牙模塊，在手機(jī)端或電腦端實(shí)時(shí)監(jiān)控電壓數(shù)值，提高了醫(yī)療實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用安全性、便利性，具有一定的使用推廣價(jià)值。