医院专用刷卡与投币式微波炉设计原理及应用

朱兴喜 徐 敏 赵 琨 王星星 汤黎明 于春华*

医院专用刷卡与投币式微波炉设计原理及应用

朱兴喜① 徐 敏② 赵 琨③ 王星星① 汤黎明① 于春华①*

目的：介绍医院专用刷卡或投币微波炉电子线路的设计原理，了解和掌握其工作原理及使用方法。方法：采用现有的微波炉进行电路改造，再与刷卡器和投币器相结合，使用单片机对其进行控制，实现微波炉的刷卡与投币功能。结果：刷卡与投币式微波炉能够根据预定的模式实现IC卡刷卡或投币使用，在其实际使用中能够做到可控制、可管理。结论：医院对于微波炉的制度化、智能化管理，可促进其延长使用寿命，改进后的刷卡与投币式微波炉值得在各级医院推广使用。

刷卡器；投币器；微波炉；原理

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

在医院住院场所，通常准备了可供患者或家属使用的微波炉，做到人性化管理。目前，医院免费使用的微波炉使用率较高，其损坏率也非常高，除患者或家属使用不当外还缺乏节俭的意识，医院对微波炉的维修投入了大量人力和财力，造成很大浪费。为此，医院专用刷卡与投币式微波炉的应用，既给使用者带来了方便，又规范了公共设施的管理，受到广大患者、家属和医护人员的一致认可和好评。

1 医院专用刷卡与投币式微波炉结构

医院专用刷卡与投币式微波炉，由刷卡与投币控制器和微波炉两部分构成。当用户在刷卡或投入硬币后控制器会给微波炉供电，同时显示剩余倒计时时间；微波炉的加热方式与家用微波炉相同。

2 微波炉的结构改装及电路原理

常用的家用微波炉是独立工作的加热装置，其主要由炉腔体、微波管、门控制、定时器、火力控制器和振荡直流电路等组成。微波炉工作原理是在微波炉里面安装有一个微波发生器，该器件由一种电子真空管—磁控管产生2450 MHz的超短波电磁波，通过微波传导元件—波导管发射到炉内各处。电磁波是变化的磁场和变化的电场交替变换而产生，其频率非常高。在高频率交替变化的电磁场作用下食物分子中的正负带电微细粒子随电磁场的变化而不断运动，称为极化。在反复极化的作用下分子间相互碰撞、磨擦而产生热能，使食物被加热。在微波炉内食物均从其内部开始加熟，其有效穿透深度约为12 cm，而金属外壳能有效屏蔽电磁波。微波炉的频率是2450 MHz，电场方向每秒钟变化24.5亿次，其生成的热量之大是其他炉灶的4～10倍，热效率高达80%以上。

改装后微波炉的电路原理图如图1所示。

图1 改装后微波炉电原理图

图1 中F1是保险丝，常用规格为10 A，限制整机电流和短路电流。ST是热保护器，当温度下降到下限温度后可自动恢复接通，并安装在磁控管外壳上面，监控磁控管工作温度，防止长期工作温度过高损坏磁控管。S1、S2是门锁监控开关，防止微波炉泄漏。当炉门关闭不严、有异物卡住时微波炉则不工作。S3是连锁监控开关，当S1、S2损坏且短接时则S3接通，烧断保险，防止微波炉未关闭炉门工作。S4为定时器开关，是微波炉工作的总电源开关，当旋转定时器定时后其炉灯必须亮，同时微波炉开始工作。M1、S4、S5组成功率控制总成，S4、S5是功率控制器内部两个独立开关，在功率控制时串联工作。M1是火力调节电机，通过凸轮控制S4、S5的通断，在S4接通时通过S5的通电时间来控制微波管工作间隔时间。M2是转盘电机，在关闭炉门后转动加热盘，使加热食品均匀。M3是风扇电机，为磁控管和变压器散热。高压变压器T的初级为L1，次级为L2、L3，组成了大功率升压变压器。L1初级接入220 V交流电；L2次级输出2000 V左右交流高压，其一端接变压器铁芯，也就是外壳，另一端单独接高压电容。L3一组次级输出4 V左右的交流电压，给磁控管阴极灯丝供电。高压电容器C(规格为1μF/2100 V交流电，内部并联了1个10 MΩ的电阻)和高压二极管VD与L2组成高压直流产生电路。图1显示，VD一端通过微波炉金属与磁控管外壳相连，L2通过变压器矽钢片与外壳相连，通过变压器、二极管和电容器将民用电压从220 V提升到直流3000 V以上，通过导线将高压电送往磁控管。高压电被传送到阴极灯丝。灯丝变热后发射出电子，被外围带正电的阳极板所吸引。大磁铁块施加的磁场使向外流动的电子云旋转，在旋转的过程中电子云形成“轮辐”状，从阳极板之间的每个空腔中穿过。移动电子云“轮辐”将负电荷传递给空腔，循环往复。负电荷的反复增减在空腔内产生出2.45 kMHz的振荡电磁场。磁控管上的天线以这一频率发生谐振，经由波导管进入炉腔。

线路改装内容为：①在保险丝F1后增加总控制开关S；②将定时器开关S4和功率控制开关S5短接，其他无需改动。总控制开关S在投币与刷卡控制器内，其工作原理与改装前相同。

2.1 投币器结构和原理

投币器是一种通过检测硬币中含铁量的大小区分真假币的电子测量仪器，具有结构简单、成本低、安全性高和抗干扰等特点。主要由4个功能模块组成，其外观如图2所示。

图2 投币器外观示意图

(1)产生高频方波的振荡电路。该模块是由振荡电路和高频耦合电路组成，当无铁质品进入投币盒时高频方波振荡电路输出稳定的频率信号；当有铁质品进入投币盒时磁介质的变化引起高频线圈电感值发生变化，使振荡电路输出的信号频率随之变化。通过检测变化值可分辨钱币的进入、真伪及面值。

(2)用于控制真、假币流向的电磁闸门。电磁闸门是直流电磁阀控制的闸门，当检测投币为真则打开闸门，让真币通过；如果为假币则从退币口退出。

(3)检测硬币投入过程中的光电传感器。光电传感器由若干个光敏二极管组成，用于检测硬币是否按设定的流程投入，同时检测投币器有无堵币、损坏和其他物品堵塞现象。

(4)检测与控制系统集中控制单元。控制和检测投币器并输出控制信号，通过检测光敏二极管的信号判断硬币投入与否，检测高频振荡电路输出的高频信号判断硬币的真伪和面值，控制电磁闸门的开关使真币通过，假币退出。

2.2 刷卡电路与微处理电路的原理

刷卡电路由非接触式IC卡(射频卡)和读卡处理器组成。IC卡将具有存贮、运算等功能的集成电路芯片压制在塑料片上，使其成为能存贮、转载、传递和处理数据的载体。芯片电源接口连接着线圈和电容，也嵌入在塑料中，形成了一张无源的无线智能卡。智能卡无需电池，当其靠近读写装置的天线时读卡机采用发射交变磁场的形式向IC卡提供能量，IC卡上的感应线圈接收交变磁场能量，卡片内有LC串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同。在电磁波激励下LC谐振电路产生共振，从而使电容内产生电荷。在电荷的另端，接有单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一电容内存储，当所积累的电荷达到2 V时，此电容可作为电源为芯片电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接受读写器的数据。

读卡处理器由天线与耦合电路、微控制处理器、读写专用电路和外围电路组成。天线与耦合电路将以一定频率的电磁波发射，在读写卡区域产生满足耦合功率的磁通量，既为IC卡提供电源又与IC卡传输信息。读卡器的射频芯片为MFRC500，适用于各种基于ISO/IEC14443A标准，且适应低成本、小尺寸、高性能以及单电源的非接触式通信的应用场合。微控制处理选用的通常是STC89C52RC单片机或AT89C52/51单片机。单片机对非接触式IC卡的控制是以单片机发出指令通过MFRC500实现，但非简单的指令所能完成，必须通过程序在MFRC500收到指令后执行其指令来完成读写等。

微处理电路与读卡芯片、投币器电路、按键输入电路和显示电路相连。该电路的PCB板设计如图3所示。

显示电路主要元器件为TM1620，是LED驱动控制专用电路，实现8段6位显示模式，可以显示时间和错误代码。当IC卡进行刷卡时自动判断和读出卡信息并保存在RAM中，同时控制继电器工作，为微波炉供电和显示电路4 min倒计时。在程序中对同一张IC卡进行刷卡控制，每日24 h内只允许同一张卡刷卡3次，刷卡间隔＞1 h，零点自动复位。控制持卡人不可一次性刷卡3次，管理和控制长时间占用微波炉，影响他人的正常使用。当投币器判断有真币信号时会向微处理器产生中断信号和0.5元、1元的信号，微处理器进行处理后在显示电路中显示2 min和4 min的倒计时，同时控制继电器工作，为微波炉供电。

3 医院专用刷卡与投币式微波炉的应用

在微波炉右侧有投币、刷卡和数码显示窗口，其性能特点为：①设计者可以根据需要设定与单位币值相对应的通电时间(1～99 min可调)；②不改变原微波功能，且使用时的功率为最大；③能够自动识币，可防伪币、防钓币和防电击；④双锁设计，防撬、防盗，钱箱可容纳硬币350枚左右；⑤微波炉和控制器合为一体，使用方便。

医院为每位住院患者发一张微波炉IC卡(需交押金)，规定每日3次免费刷卡，每次刷卡使用4 min，如超过次数则需投币方可使用。在成本合算后以最大功率700 W计算，每台微波炉每月收益为：0.95(元)×10(次)×30(日)＝285元。通过半年试用初见成效，成本基本收回。

微波炉在使用中应注意：①不能够安装在离水源近的位置；②须安装在牢固、不易震动、不易燃材料的台面上，以免导致火灾或人身伤害事故；③不应堵塞微波炉进出风口；④发生故障应立即切断电源，停止使用并及时维修；⑤禁止用香蕉水、酒精等腐蚀性液体擦洗外壳，如有污染可在断电的情况下用湿毛巾沾肥皂水清洗；⑥非专业维修人员切勿自行拆修。

4 结语

医院专用刷卡与投币式微波炉作为一种智能型微波炉适宜在医院临床科室使用，在其使用中既方便管理又可减少投入，可提高医院的社会效益和经济效益。

[1]王小利.智能微波炉控制器研究与设计[J].信息技术，2008，32(9)：114-116.

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[5]朱英明.微电脑控制微波炉的工作原理与检修[J].家电维修，2008(10)：42-43.

[6]李志全，马淑华.模糊控制在微波炉中的应用[J].东北重型机械学院学报，1997，21(4)：347-351.

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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南京军区南京总医院医学工程科 江苏 南京 210002

②南京军区南京总医院儿科 江苏 南京 210002

③南京军区南京总医院干部内分泌科 江苏 南京 210002

*通讯作者：274933102@qq.com

朱兴喜,男,(1963- ),硕士，高级工程师、教授。南京军区南京总医院医学工程科，中国医学装备协会理事会理事，从事医院医疗设备的管理、技术保障、质量控制、教学和科研工作，研究方向：临床医学工程。