趙 蕾，樊紅彬，鄭天雷，李運運，王宏莉，宋 軍

(徐州醫(yī)科大學附屬醫(yī)院，江蘇 徐州 221000)

在醫(yī)學臨床和動物試驗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長、精準程度、微量控制能力等成為左右治療效果的關鍵因素[1]。在人工輸液控制的情況下無法長時間穩(wěn)定實現(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日益低廉，除去在手術室、ICU 等重點科室以外，在普通臨床科室和各個實驗室機構也得到廣泛應用[2－6]。

由于該類設備的工作特點是需要長時間執(zhí)行輸液任務，當輸液管路或注射器本身難以長時間承受工作任務發(fā)生破裂時，管路中的液體就會隨著設備機身流入電源插槽，導致設備電源短路燒毀而直接報廢，給醫(yī)院和各實驗室機構造成不必要的資產(chǎn)損失[7－8]。

本研究提出一種簡單、安全、操作性強且針對注射泵和輸液泵而設計的接線安全轉換裝置，該裝置一方面從物理結構設計角度解決電源插槽液體滲漏問題，另一方面其內部設計有電源檢測與保護系統(tǒng)，一旦設備供電異常時，自動跳開市電保護設備，使用安全。

1 接線安全轉換器外觀結構設計

1.1 主要部件構成

本研究設計外觀結構由轉化器插槽、插頭、觸點、主體、集線器、復位開關和防水墊圈等組成，見圖1～圖4。

圖1 注射泵或輸液泵示意圖

圖2 安全轉換器立體圖角度1

圖3 安全轉換器立體圖角度2

圖4 集線器放大圖

1.2 主要部件位置與結構

如圖1～圖4 所示，在裝置頂端轉換器插槽3 和底端的插頭5 均執(zhí)行我國通用的國標三插電源線種類及執(zhí)行標準RVVZ－3P 標準。為了杜絕液體與各種泵類設備接觸的隱患，該裝置在底端插頭5 以上部分，整個裝置的底面，加裝一圈防水墊圈9。為保證在拔插轉接裝置時的穩(wěn)固性，裝置主體靠下部分設計了6 圈凹凸構成的防滑紋路4。為了監(jiān)測到實時市電電壓情況，在裝置主體上部安裝有電子數(shù)碼管10 用于顯示電壓實時情況。因為我們在裝置內部設置了市電電源保護模塊，在監(jiān)測到市電電源異常會自動跳開保護開關11。除此以外，在工作中經(jīng)常出現(xiàn)電源線因為沒有固定導致脫落或者折損，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 轉換器內部電源檢測與保護系統(tǒng)設計

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 單片機是轉換器內部電源檢測與保護系統(tǒng)的控制中心，負責判斷異常狀況，及時切斷信號；供電模塊將220 V 的市電轉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進行分析處理，將結果輸送至主控芯片；同時主控芯片通過E104－BT40 藍牙模塊發(fā)送電壓值到手機，在手機端可以查看電壓數(shù)值。電壓模塊使用TM1637 芯片和數(shù)碼管供醫(yī)務人員實時觀測電壓數(shù)值；交流電保護模塊對市電異常情況進行監(jiān)測，保護電路[9－10]。

圖5 接線安全轉換器功能框圖

2.1 單片機控制器介紹

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，對比傳統(tǒng)的89 系列單片機，該款單片機能夠完全兼容其指令代碼，除此以外具有以下幾個明顯優(yōu)勢:(1)運行速度更快，相比較89 系列提速7－12 倍；(2)內部集成了范圍可調并可編程輸出的R/C 時鐘，省去復雜的時鐘電路，節(jié)省了設備內部空間設計；(3)內置了2K 字節(jié)大容量SRAM，滿足日常數(shù)據(jù)處理需要[11－13]。

微處理器是整個電源檢測系統(tǒng)的控制核心部件，主要執(zhí)行電壓信號高低判斷、市電電壓切斷、輸出信號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 負責提供數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，13 腳P5.5 連接保護電路電阻R3 負責提供切斷電源信號。

2.2 供電模塊設計

因本設計裝置需要與220 V 市電直連，故我們采取降壓和轉換的方案實現(xiàn)整個系統(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 電壓值顯示模塊設計

為了保證使用人員能夠實時觀察到市電的實際數(shù)值，該裝置還設置有數(shù)碼管顯示模塊，為了提高電路驅動性能和穩(wěn)定性，顯示模塊采用具有內置上電復位電路和自動消影的TM1637 芯片驅動發(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，可以實時觀察到電路檢測到的電壓值，了解電路的情況。

2.4 電壓檢測模塊設計

本系統(tǒng)設計需要判別控制220 V 市電是否穩(wěn)定，為了保證整個系統(tǒng)的可靠性，我們采用光耦TLP521－1 芯片將強電的采樣信號與單片機系統(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，該發(fā)光二極管亮度高，電壓低時發(fā)光二極管亮度低，同時亮度傳遞至光耦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換為模擬信號傳給主控芯片識別交流電電壓值。

經(jīng)測量，當輸入交流電壓VIN為240 V 時，VCE＝0.200 V，VADC0＝4.400 V；當輸入交流電壓為100 V時，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，VADC0和輸入交流電壓成近似線性，由此可推導出計算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定為210 V～240 V，當電壓超出該范圍，微處理器給出斷電信號，按照以上公式推算，我們將微處理器3 腳VADC0正常工作電壓設定為3.8 V～4.4 V。

2.5 交流電保護模塊設計

當系統(tǒng)檢測到市電電壓異常(低于210 V 或高于240 V)，需要系統(tǒng)及時作出反應切斷市電電源，交流電自動切斷電路設計如圖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K1 的1 腳和3腳，使電流可以流通至輸出端口P1；當檢測電壓異常時，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 給線圈的反向電動勢提供卸電通路。

2.6 藍牙通訊模塊電路設計

使用藍牙通訊模塊，可以將檢測到的電壓值實時傳送到手機、電腦等終端，如圖11。E104－BT40模塊是一款基于藍牙4.2＋3.0 版本的串口轉雙模藍牙從機模塊，即低功耗藍牙BLE 與經(jīng)典藍牙SPP Profile，可在BLE 與經(jīng)典藍牙之間自由切換。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 模塊應用電路圖

E104－BT40 模塊使用通用AT 指令設置參數(shù)，操作簡單快捷。模塊僅支持藍牙從機角色，通過該模塊可以使傳統(tǒng)的低端串口設備或者MCU 控制的設備進行無線數(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、電腦等終端。

圖12 藍牙通訊模塊

3 軟件設計

3.1 手機端藍牙通訊軟件設計

手機端藍牙APP 工作流程如圖13 所示。首先需要打開手機藍牙功能，然后手機自動搜索周圍轉換器，驗證信息后就可以獲取轉換器的檢測電壓值。

圖13 手機端藍牙APP 工作流程圖

3.2 藍牙通訊可靠性測試

由于病房醫(yī)療設備較多，電磁干擾情況復雜，所以有必要對藍牙通訊可靠性進行測試。測試方案是:在病房安裝15 臺轉換器，一臺手機終端，15 臺轉換器依次間隔500 ms 向手機發(fā)送數(shù)據(jù)包，每臺發(fā)送3 000 個數(shù)據(jù)包。我們通過統(tǒng)計得到表1，測試結果顯示，丟包率為0.18%，在允許范圍內，藍牙通訊可靠性比較好。

表1 藍牙通訊測試數(shù)據(jù)

3.3 安全轉換器軟件設計

該系統(tǒng)軟件部分設計采用基于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]，其設計流程圖如圖14 所示。

圖14 接線安全轉換器軟件工程流程圖

軟件系統(tǒng)工作流程為:當交流電接入系統(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，單片機通過模數(shù)轉換進行計算輸入電壓值，同時通過E104－BT40 藍牙模塊發(fā)送當前檢測到的電壓到手機、電腦等終端。當輸入電壓值在210 V 到230 V 之間時，單片機控制繼電器接通火線，交流電供設備使用；當輸入電壓低于210 V 或者高于230 V 時，單片機控制繼電器斷開火線，手機端藍牙APP 會響鈴提示醫(yī)護人員電壓異常。之后不斷監(jiān)測輸入電壓值，當輸入電壓值處于正常范圍內時再接通火線。

4 結論

很多醫(yī)院和實驗機構長期受到液體意外滲漏，導致輸液泵、注射泵等設備意外損壞的困擾。為了解決臨床工作中的此類困擾，該接線安全轉換裝置通過人性化的物理外觀設計防止液體進入到電源插槽內，在該裝置的內部增加基于STC15F2K60S2 高速芯片的電壓安全檢測電路，當供電市電的電壓在超過安全電壓范圍時能夠自動切斷電路，避免了以上原因導致的設備的損壞，同時設計了無線藍牙模塊，在手機端或電腦端實時監(jiān)控電壓數(shù)值，提高了醫(yī)療實驗設備使用安全性、便利性，具有一定的使用推廣價值。