基于Proteus的PX2001型野战洗手器的功能改进与仿真

张 伟　李效银　尹晓峰　张谷敏　王静雅

PX2001型野战洗手器(上海品兴公司)是一款适用于野战环境下，便于清洗消毒的洗手装置，其主要应用于现役部队卫生院(所)，便于医护人员在开展医疗工作前的消毒清洗工作。野战洗手器以水泵作为动力系统[1]进行消洗作业，具有便携、安全、使用方便、无交叉感染等特点，使用范围广泛；应用频率之高，故其故障率高发，尤其是水泵故障尤为突出。为此，本研究对野战洗手器进行功能改进升级，确保其使用安全可靠。

1　野战洗手器功能改进

1.1　野战洗手器常见故障

通过对部队此类装备的检修数据分析，PX2001型野战洗手器因水泵动力系统失灵[2]而引起的装备故障率在96%以上，为避免此类故障的高发，本研究对其结构认真分析总结，发现水泵在净水桶缺水的状态下仍旧高速运转，从而降低水泵寿命，导致故障频出。

1.2　故障分析

为避免此类故障的发生，应防止水泵因缺水而长时间空转，如果利用人为因素来时常注意净水桶水位，不够精确，浪费人力和时间，且做不到实时观察，无法较好的避免。为此，应增加一部分净水桶内水位监测模块，利用单片机实时监测控制净水桶内的水位变化，在其缺水的状态下，能及时有效的切断水泵工作电压，有效避免其空转干烧而造成的损坏后果。既解放了人力，又节约时间，做到精准到位，全程无任何交叉感染，有效避免人体接触。

1.3　原有电路分析

PX2001型野战洗手器的电路部分由电源整流电路、变压电路、比较电路、延时电路、CPU及水泵控制电路等部分组成(如图1所示)。

图1　洗手器工作流程图

分析水泵控制电路得出，打开电源，通过变压器分压15 Vac加入电路，通过整流、滤波。一路通过L7805CV稳压5 Vdc，为单片机，各个芯片部件供电，保证其能正常工作；另一路通过继电器，WS3(LM317T)调压，提供9～10 Vdc稳压电源，为水泵供电[3-4]。当有电源时，电源指示灯亮起，同时单片机IC1(HMS87C1202AP)工作，2脚、10脚输出高电平，注水指示灯亮起，三极管VT1导通，J1继电器工作，从而使得WS3调压后的电压直接加在水泵上，水泵工作，开始注水。水泵工作与否，是通过单片机IC1的10脚输出电源高低，从而控制VT1的通断，进而控制J1工作与否来决定水泵是否工作。

该型号洗手器采用无接触型光感探头控制出水模式，可以有效节约用水，防止触摸带来的交叉感染[5]。光电传感器有棕、黑、蓝3条线，其中棕色电源线接+5 Vdc、黑色为信号线(起初为高电平)、蓝色为接地线。当有需要洗手消毒时，靠近洗手器，光电开关感应到有物体的漫反射光[6]使得IC2芯片的3号引脚(即黑色信号线)由高电平跳变为低电平，从而1脚输出电压由高电平跳变为低电平传输给IC1的中断引脚16脚，单片机接受中断，判断有需要洗手消毒，10脚输出高电平，进而控制J1导通，水泵开始注水，使得水箱因水满而溢出，达到出水目的。当无需要洗消工作时反之，J1断开，水泵停止注水，以达到节约用水的目的。

针对洗手器的工作流程分析，只有切断水泵电源，才能有效防止水泵因缺水而干烧造成损坏。然而切断电源有两种途径，①自动切断装置的总电源；②自动切断水泵的供电电源。分析两种措施得出：如果切断总电源，固然在缺水时能够对水泵起到很好的保护作用，然而装置的总电源断电会影响到其他部件的正常工作，无法处于待机状态，即使重新补充水源，洗手器也无法在较短的时间内发挥作用；而第二种措施是在水泵的供电回路中增加一个继电器，增设水位监测及声、光报警电路，通过水位开关的通断监测从而通过继电器控制水泵供电回路的通断，实现声、光报警，这样对装置其他部件不影响，均处于待工作状态[7]。补给水源后，装置能够在较快的时间内投入使用，为工作人员的后续工作争取了时间。

2　野战洗手器电路措施改进

研究发现，此洗手器的电路分析易于简单，由单纯的单片机IC1和比较器IC2芯片简单控制实现水泵的工作与否，但缺少实时监测净水桶内水位状况，无法保证净水桶内缺水使水泵停止工作，进而水泵损坏率颇高发。为此，本研究采用第二种(自动切断水泵的供电电源)措施，增设了继电器、水位监测报警电路，以便通过单片机、报警电路等部件，监测净水桶缺水时及时有效的切断水泵电源，并发出声、光报警提醒净水桶缺水，能够很好的解决水泵因缺水而空转干烧的问题[8]。

改进的洗手器增加的声、光报警电路，输入端+5 Vdc由线路板+5 V提供，输入端INPUT与线路板WS1的输入端相连，供给继电器J5线圈电压，输入端PUMF-与线路板PUMF-触点相连，输入端PUMF+与线路板PUMF+相连，输出端PUMF--OUTPUT和PUMF++OUTPUT分别与水泵的引脚相接。所选择的液位开关是EP-4310塑料小浮球开关，此类浮球开关主要由磁簧开关和浮子组成，浮子内有磁性材料，浮子随被测液位上下移动，触动磁簧开关而检出液位位置。相比较其他液位开关，其具有体积轻巧、工作原理简单、可靠性高、价格便宜等特点，被应用于工业、农业、家用电器等诸多领域[9]。

洗手器使用时，接通电源，不再像原有电路一样，净水桶内无论有水无水，水泵直接工作，而是先通过液位开关判定净水桶是否有水，是否满足水泵工作环境，当净水桶内液面满足条件，浮子浮起，触动磁簧开关导通，继电器J5不工作，从而使水泵电源形成完整回路，水泵工作并开始注水，此时声、光报警电路不工作并当净水桶内缺水时，浮子落下，磁簧开关断开，致使三极管VT2导通，J5得电吸合，进而切断了水泵的工作回路，水泵停止工作，能够避免因缺水而空转，同时，洗手器的声光报警电路开始工作，红色LED灯亮起，蜂鸣器LS1报警，提醒工作人员净水桶内缺水，需及时补充水源(如图2所示)。

3　野战洗手器电路仿真

模拟电路仿真选用英国Labcenter electronics公司开发的Proteus工具软件[10]。此款软件具有模拟电路仿真、数字电路仿真、微处理器及外围电路组成系统仿真、各种虚拟仪器测试及图表分析功能、PCB布板等众多强大的功能，可以方便完成本研究试验所需的模拟(数字)电路测试仿真，并且可通过仿真形成产品，这样在电子电路的设计过程，缩短开发设计周期，可降低开发成本。

图2　洗手器声光报警电路图

针对上述洗手器的改进电路的设计，比喻应用Proteus 8.0软件将改进电路并入原有电路进行仿真实验。如图2所示，根据原有电路端子的电压测量，输入端+5 V接入+5 V直流电源，INPUT接入19 V直流电源，PUMF-接入0 V，PUMF+接入9.5 V直流电源，并接入示波器，提供所需电压以进行仿真[11]。

当液位开关处于闭合状态，表明净水桶水量充足，U2∶A、U2∶B输入端处于低电平，非门输出端变为高电平，LED灯不发光，与非门U1∶A输出低电平，故D2处于截止状态，音频振荡器不起振，扬声器LS1不发出报警声，示波器C输入端检测为0 V(粉色线条)。同时使三极管VT2处于截止状态，继电器J5线圈无法形成回路电流，J5不工作，示波器B输入端检测为0 V(蓝色线条)，从而使水泵工作回路完整，水泵工作，开始注水，此仿真声、光均不报警，装备无需补水。当液位开关处于断开状态，表明净水桶缺水，U2∶A、U2∶B输入端处于高电平，非门输出端变为低电平，使得LED灯导通亮起，与非门U1∶A输出高电平，音频振荡器起振工作，其输出的音频信号经过Q2放大后，驱动扬声器LS1发出报警声，示波器C引脚电压有跳变(粉色线条)。同时使三极管VT2处于导通状态，继电器J5线圈形成回路电流，J5工作，从而断开水泵工作回路，引起示波器B引脚有跳变电压(蓝色线条)，停止注水。声、光报警提示工作人员装备现处于缺水状态，需及时补水(如图3所示)。

图3　仿真电路示波器波形图

4　野战洗手器应用效果

新型野战洗手器在普通的洗手器基础上增加了水位监测模块和断路保护系统，该模块在实际应用中效果显著，能够有效的监测净水桶内的水量情况，当洗手器在缺水状态时，水泵停止工作，设备蜂鸣器报警，提示使用操作人员及时补充水源，有效解决了设备因缺水而引发的不必要的故障。改进后在部队应用广泛，取得了较好的效果。

5　结语

针对水泵故障率频发的情况，本研究对传统的野战洗手器的使用和安全作了改进，在系统中增加了液位监测模块，并进行了完整仿真实验。装置具有了双重的断路保护电路，避免了由于电路故障或人为处理不及时而造成水泵在缺水状态下经常性、长时间空转而干烧损坏，提高了水泵的使用寿命，从而保证了此类洗手器能更好的发挥其作用[12]。此改进方式具有经费使用低、操作便利、安全可靠、稳定性高等特点，可广泛使用，并保证装备在战时或非战时有效的发挥其作用。

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