嬰兒培養(yǎng)箱溫度報警控制器的設計

梁小亨，吳洪仔

東莞東華醫(yī)院 （廣東東莞 523110）

由于我院發(fā)生過多次因嬰兒培養(yǎng)箱加熱溫度過高且沒有溫度報警裝置造成的醫(yī)療器械不良事件[1-2]，而市面上又沒有一款針對嬰兒培養(yǎng)箱的溫度報警裝置[3]，因此，我院設計了一款嬰兒培養(yǎng)箱溫度報警控制器，在嬰兒培養(yǎng)箱加熱失去控制時可以及時報警，并且在嬰兒培養(yǎng)箱溫度過高時可以立刻斷電，從而避免嚴重灼傷醫(yī)療事故的發(fā)生。其功能、硬件設計、軟件設計等報道如下。

1 功能

該溫度報警控制器專門用于嬰兒培養(yǎng)箱，一般嬰兒培養(yǎng)箱的設置箱溫為31～36 ℃，因此，設計當嬰兒培養(yǎng)箱的溫度報警控制器在箱溫為30～37℃之間時不會報警，當嬰兒培養(yǎng)箱的箱溫高于37 ℃時，溫度報警控制器會發(fā)出報警聲并自動斷電，避免嬰兒培養(yǎng)箱的箱溫過高對嬰兒產(chǎn)生灼傷危險；嬰兒培養(yǎng)箱開機后需要一段時間加熱才能達到設置的溫度，此時溫度報警控制器不會報警，當嬰兒培養(yǎng)箱開機30 min 后箱溫依然沒有高于30 ℃或者嬰兒培養(yǎng)箱在正常使用過程中箱溫突然低于30 ℃時，溫度報警控制器會發(fā)出報警聲，避免嬰兒培養(yǎng)箱的箱溫長時間保持低溫對嬰兒造成不良反應。同時，該溫度報警控制器具有溫度顯示功能，可顯示探測的實時溫度。

2 硬件設計

本設計使用直流電壓5 V 作為電路的供電電壓，使用單片機AT89C51 進行程序控制，使用HBC06LSPA 霍爾電流傳感器作為電流檢測傳感器，用以確定嬰兒培養(yǎng)箱是否處于使用狀態(tài)，使用DS18B20 作為溫度傳感器，使用數(shù)碼管顯示當前探測到的溫度值，使用1 個5 V 繼電器控制嬰兒培養(yǎng)箱供電和斷電，使用蜂鳴器作為報警器，使用74LS244 對數(shù)碼管進行驅(qū)動，使用74LS244 和三極管組成電路對繼電器和蜂鳴器進行驅(qū)動。另外，本設計使用Proteus 軟件進行仿真實驗[4]。

2.1 使用Proteus 軟件對HBC06LSPA 霍爾電流傳感器電路進行驗證

當嬰兒培養(yǎng)箱關(guān)機時，HBC06LSPA 霍爾電流傳感器感應的電流為0 A，HBC06LSPA 霍爾電流傳感器輸出2.5 V 電信號。當嬰兒培養(yǎng)箱開機使用時，嬰兒培養(yǎng)箱需要0.8～4 A 的電流，對應HBC06LSPA霍爾電流傳感器會輸出2.76～3.8 V 的電信號，電信號經(jīng)過兩個三極管放大后給到NE555 觸發(fā)器，產(chǎn)生0 V 或5 V 信號給到單片機的P3.7 腳。當HBC06LSPA霍爾電流傳感器輸出大于2.7 V 的電信號時，經(jīng)過電路處理后P3.7 腳輸入低電平，代表嬰兒培養(yǎng)箱在使用狀態(tài)；當HBC06LSPA 輸出小于2.7 V 的電信號時，經(jīng)過電路處理后P3.7 腳輸入高電平，代表嬰兒培養(yǎng)箱為關(guān)機狀態(tài)[5]。

由圖1 可知，當嬰兒培養(yǎng)箱在關(guān)機狀態(tài)時，HBC06LSPA 霍爾電流傳感器產(chǎn)生2.5 V 電信號，經(jīng)過電路處理后P3.7 輸入5 V 高電平信號，此時代表嬰兒培養(yǎng)箱處于關(guān)機狀態(tài)。

圖1 嬰兒培養(yǎng)箱關(guān)機狀態(tài)圖

由圖2 可知，當嬰兒培養(yǎng)箱在使用狀態(tài)時，HBC06LSPA 霍爾電流傳感器產(chǎn)生2.76 V 以上電信號，經(jīng)過電路處理后P3.7 輸入0 V 低電平信號，此時代表嬰兒培養(yǎng)箱處于使用狀態(tài)。

圖2 嬰兒培養(yǎng)箱使用狀態(tài)圖

2.2 單片機、溫度傳感器和數(shù)碼管電路

由圖3 可知，DS18B20 溫度傳感器通過DQ 腳與單片機P3.3 腳連接，單片機的P0、P2 口與2 個74LS244 連接，用于驅(qū)動數(shù)碼管，同時由于數(shù)碼管低電平有效，通過10 個上拉電阻在無輸出時拉高電平。

圖3 單片機、溫度傳感器和數(shù)碼管電路

2.3 單片機、繼電器和蜂鳴器電路

由圖4 可知，單片機控制繼電器斷電（D1 LED燈不亮說明斷電），并控制蜂鳴器報警（給蜂鳴器的電壓大于3 V 說明報警）[6]。

圖4 單片機和繼電器、蜂鳴器電路

2.4 整體電路

由圖5 可知，整體電路包括霍爾流量傳感器電路、溫度傳感器電路、數(shù)碼管電路、繼電器電路、蜂鳴器電路等，由于位置所限，圖5 省略了單片機的晶振電路和復位電路。

圖5 溫度報警控制器整體電路

3 軟件設計

根據(jù)本設計功能要求，結(jié)合硬件電路圖，制定出本設計程序的流程圖，如圖6 所示。

圖6 溫度報警控制器流程圖

本設計軟件程序使用匯編語言進行編寫，使用Keil 軟件平臺編譯[7]，下面是使用匯編語言編寫的全部程序[8]：

4 測試

本設計使用Proteus 軟件對軟硬件進行驗證測試，以確定設計的可行性。

測試當嬰兒培養(yǎng)箱箱溫在30～37 ℃正常溫度范圍內(nèi)的情況：數(shù)碼管顯示當前探測到的溫度，繼電器繼續(xù)通電（D1 LED 燈亮說明正常通電），不會報警（給蜂鳴器的電壓為0 V，說明沒有報警），如圖7 所示。

圖7 當嬰兒培養(yǎng)箱箱溫在30～37 ℃正常溫度范圍內(nèi)的情況

測試當嬰兒培養(yǎng)箱箱溫高于37 ℃時的情況：數(shù)碼管顯示當前探測到的溫度，繼電器斷電（D1 LED 燈不亮說明斷電），箱溫過高報警（給蜂鳴器的電壓大于3 V，說明報警），如圖8 所示。

圖8 當嬰兒培養(yǎng)箱箱溫高于37℃時的情況

測試當嬰兒培養(yǎng)箱箱溫低于30 ℃時的情況：數(shù)碼管顯示當前探測到的溫度，繼電器繼續(xù)通電（D1 LED燈亮說明正常通電），嬰兒培養(yǎng)箱開機30 min內(nèi)的箱溫過低不會報警，嬰兒培養(yǎng)箱開機30 min 后的箱溫過低會報警（給蜂鳴器的電壓大于3 V，說明報警），如圖9 所示。

圖9 當嬰兒培養(yǎng)箱開機30 min 后箱溫低于30 ℃時的情況

經(jīng)Proteus 仿真測試，溫度報警控制器的硬件與軟件匹配良好，整個系統(tǒng)測試成功。

5 結(jié)語

利用軟件Proteus 可很好地對電路的軟硬件進行調(diào)試和仿真測試，大大提高了開發(fā)效率，避免了直接在實際電路中調(diào)試造成的不便。本研究所設計嬰兒培養(yǎng)箱專用的溫度報警控制器，可以在箱溫過高時起到報警提示作用，并切斷嬰兒培養(yǎng)箱供電電源，使嬰兒培養(yǎng)箱及時斷電關(guān)機，從而讓嬰兒培養(yǎng)箱加熱棒停止加熱；另外，也可以在箱溫偏低情況下，及時發(fā)出報警提示，為臨床醫(yī)務人員提供雙重報警保護提示。綜上所述，本研究所設計嬰兒培養(yǎng)箱專用的溫度報警控制器可以保障嬰兒培養(yǎng)箱正常安全使用。