嬰兒培養箱溫度報警控制器的設計

梁小亨，吳洪仔

東莞東華醫院 （廣東東莞 523110）

由于我院發生過多次因嬰兒培養箱加熱溫度過高且沒有溫度報警裝置造成的醫療器械不良事件[1-2]，而市面上又沒有一款針對嬰兒培養箱的溫度報警裝置[3]，因此，我院設計了一款嬰兒培養箱溫度報警控制器，在嬰兒培養箱加熱失去控制時可以及時報警，并且在嬰兒培養箱溫度過高時可以立刻斷電，從而避免嚴重灼傷醫療事故的發生。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箱，一般嬰兒培養箱的設置箱溫為31～36 ℃，因此，設計當嬰兒培養箱的溫度報警控制器在箱溫為30～37℃之間時不會報警，當嬰兒培養箱的箱溫高于37 ℃時，溫度報警控制器會發出報警聲并自動斷電，避免嬰兒培養箱的箱溫過高對嬰兒產生灼傷危險；嬰兒培養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，當嬰兒培養箱開機30 min 后箱溫依然沒有高于30 ℃或者嬰兒培養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出報警聲，避免嬰兒培養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，用以確定嬰兒培養箱是否處于使用狀態，使用DS18B20 作為溫度傳感器，使用數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箱供電和斷電，使用蜂鳴器作為報警器，使用74LS244 對數碼管進行驅動，使用74LS244 和三極管組成電路對繼電器和蜂鳴器進行驅動。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

當嬰兒培養箱關機時，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。當嬰兒培養箱開機使用時，嬰兒培養箱需要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，電信號經過兩個三極管放大后給到NE555 觸發器，產生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，經過電路處理后P3.7 腳輸入低電平，代表嬰兒培養箱在使用狀態；當HBC06LSPA 輸出小于2.7 V 的電信號時，經過電路處理后P3.7 腳輸入高電平，代表嬰兒培養箱為關機狀態[5]。

由圖1 可知，當嬰兒培養箱在關機狀態時，HBC06LSPA 霍爾電流傳感器產生2.5 V 電信號，經過電路處理后P3.7 輸入5 V 高電平信號，此時代表嬰兒培養箱處于關機狀態。

圖1 嬰兒培養箱關機狀態圖

由圖2 可知，當嬰兒培養箱在使用狀態時，HBC06LSPA 霍爾電流傳感器產生2.76 V 以上電信號，經過電路處理后P3.7 輸入0 V 低電平信號，此時代表嬰兒培養箱處于使用狀態。

圖2 嬰兒培養箱使用狀態圖

2.2 單片機、溫度傳感器和數碼管電路

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，用于驅動數碼管，同時由于數碼管低電平有效，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

根據本設計功能要求，結合硬件電路圖，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。

測試當嬰兒培養箱箱溫在30～37 ℃正常溫度范圍內的情況：數碼管顯示當前探測到的溫度，繼電器繼續通電（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 當嬰兒培養箱箱溫在30～37 ℃正常溫度范圍內的情況

測試當嬰兒培養箱箱溫高于37 ℃時的情況：數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 當嬰兒培養箱箱溫高于37℃時的情況

測試當嬰兒培養箱箱溫低于30 ℃時的情況：數碼管顯示當前探測到的溫度，繼電器繼續通電（D1 LED燈亮說明正常通電），嬰兒培養箱開機30 min內的箱溫過低不會報警，嬰兒培養箱開機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 當嬰兒培養箱開機30 min 后箱溫低于30 ℃時的情況

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

5 結語

利用軟件Proteus 可很好地對電路的軟硬件進行調試和仿真測試，大大提高了開發效率，避免了直接在實際電路中調試造成的不便。本研究所設計嬰兒培養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，并切斷嬰兒培養箱供電電源，使嬰兒培養箱及時斷電關機，從而讓嬰兒培養箱加熱棒停止加熱；另外，也可以在箱溫偏低情況下，及時發出報警提示，為臨床醫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箱專用的溫度報警控制器可以保障嬰兒培養箱正常安全使用。