基于STC15F2K60S2单片机的注射泵或输液泵接线安全转换装置设计∗

赵 蕾，樊红彬，郑天雷，李运运，王宏莉，宋 军

(徐州医科大学附属医院，江苏 徐州 221000)

在医学临床和动物试验中静脉输液作为临床治疗的常用给药手段，与其相匹配的注射时长、精准程度、微量控制能力等成为左右治疗效果的关键因素[1]。在人工输液控制的情况下无法长时间稳定实现以上所有功能，故微量注射泵和输液泵的使用得到了临床重视，近些年来随着其造价日益低廉，除去在手术室、ICU 等重点科室以外，在普通临床科室和各个实验室机构也得到广泛应用[2－6]。

由于该类设备的工作特点是需要长时间执行输液任务，当输液管路或注射器本身难以长时间承受工作任务发生破裂时，管路中的液体就会随着设备机身流入电源插槽，导致设备电源短路烧毁而直接报废，给医院和各实验室机构造成不必要的资产损失[7－8]。

本研究提出一种简单、安全、操作性强且针对注射泵和输液泵而设计的接线安全转换装置，该装置一方面从物理结构设计角度解决电源插槽液体渗漏问题，另一方面其内部设计有电源检测与保护系统，一旦设备供电异常时，自动跳开市电保护设备，使用安全。

1 接线安全转换器外观结构设计

1.1 主要部件构成

本研究设计外观结构由转化器插槽、插头、触点、主体、集线器、复位开关和防水垫圈等组成，见图1～图4。

图1 注射泵或输液泵示意图

图2 安全转换器立体图角度1

图3 安全转换器立体图角度2

图4 集线器放大图

1.2 主要部件位置与结构

如图1～图4 所示，在装置顶端转换器插槽3 和底端的插头5 均执行我国通用的国标三插电源线种类及执行标准RVVZ－3P 标准。为了杜绝液体与各种泵类设备接触的隐患，该装置在底端插头5 以上部分，整个装置的底面，加装一圈防水垫圈9。为保证在拔插转接装置时的稳固性，装置主体靠下部分设计了6 圈凹凸构成的防滑纹路4。为了监测到实时市电电压情况，在装置主体上部安装有电子数码管10 用于显示电压实时情况。因为我们在装置内部设置了市电电源保护模块，在监测到市电电源异常会自动跳开保护开关11。除此以外，在工作中经常出现电源线因为没有固定导致脱落或者折损，因此在装置主体下部加了辅助集线器7，其具体由集线器主体7－1，线槽7－2，挡板7－3 组成，线槽7－2 内径略小于电源线外径，挡板采用具有一定弹性的塑胶材料，通过自身弹性卡住电源线，保证固定效果。

2 转换器内部电源检测与保护系统设计

电源检测系统由STC15F2K60S2 微处理器主控芯片、供电模块、电压值检测模块、电压显示模块、交流电切断模块组成，如图5所示，主控芯片STC15F2K60S2 单片机是转换器内部电源检测与保护系统的控制中心，负责判断异常状况，及时切断信号；供电模块将220 V 的市电转换成能够供主控芯片使用的电压；电压值检测模块采样信号进行分析处理，将结果输送至主控芯片；同时主控芯片通过E104－BT40 蓝牙模块发送电压值到手机，在手机端可以查看电压数值。电压模块使用TM1637 芯片和数码管供医务人员实时观测电压数值；交流电保护模块对市电异常情况进行监测，保护电路[9－10]。

图5 接线安全转换器功能框图

2.1 单片机控制器介绍

该装置微处理器采用南通宏晶科技公司生产的STC15F2K60S2 单片机，对比传统的89 系列单片机，该款单片机能够完全兼容其指令代码，除此以外具有以下几个明显优势:(1)运行速度更快，相比较89 系列提速7－12 倍；(2)内部集成了范围可调并可编程输出的R/C 时钟，省去复杂的时钟电路，节省了设备内部空间设计；(3)内置了2K 字节大容量SRAM，满足日常数据处理需要[11－13]。

微处理器是整个电源检测系统的控制核心部件，主要执行电压信号高低判断、市电电压切断、输出信号控制和电压值显示等功能，如图6 所示。

图6 主控芯片STC15F2K60S2

其中U3 的12、14 脚分别接5 V 电源和地，3 脚ADC0 用于市电电压经过采样后的数值输入端口，1脚P2.6、2 脚P2.7 分别连接TM1637 芯片的17 脚P2.6、18 脚P2.7 负责提供数码管显示数据，13 脚P5.5 连接保护电路电阻R3 负责提供切断电源信号。

2.2 供电模块设计

因本设计装置需要与220 V 市电直连，故我们采取降压和转换的方案实现整个系统5 V 和12 V的供电，如图7 所示。

图7 5 V、12 V 直流产生电路

2.2.1 DC12V 电源生成原理

220V 市电经过电阻R2、电容C1 和电阻R1 限流，经过整流桥D2，然后再经过整流桥D2 的1 脚和4 脚给电解电容C2 充电，电解电容C2 的电压通过稳压二极管D1 限压，使电压值最大为12 V，产生12 V 直流电。

2.2.2 DC5V 电源生成原理

上述产生的12 V 直流电通过78L05 芯片转换为5 V 直流电输出，图7 中在输入端、输出端并联的电容C3、电容C4 用于滤除干扰电压。

2.3 电压值显示模块设计

为了保证使用人员能够实时观察到市电的实际数值，该装置还设置有数码管显示模块，为了提高电路驱动性能和稳定性，显示模块采用具有内置上电复位电路和自动消影的TM1637 芯片驱动发光二极管，其原理图如图8 所示。

图8 电压值显示电路

电压值显示模块包括数码管10 和TM1637 芯片，TM1637 芯片的引脚15、14、13 和12 分别连接至数码管的引脚A1、A2、A3 和A4，TM1637 芯片的引脚18 和17 分别连接主控芯片的引脚P2.7 和引脚P2.6，主控芯片将检测到的电压值通过TM1637 芯片，在数码管上显示出来。如图3 所示，采用数码管10，可以实时观察到电路检测到的电压值，了解电路的情况。

2.4 电压检测模块设计

本系统设计需要判别控制220 V 市电是否稳定，为了保证整个系统的可靠性，我们采用光耦TLP521－1 芯片将强电的采样信号与单片机系统隔离[14－16]，如图9 所示。

图9 电压值检测电路

电压值检测模块的二极管D4 一端连接火线，另一端并联电解电容C5、电容C6 和电阻R5，电解电容C5 通过二极管D5 返回零线N，电阻R5 连接光耦U4，光耦U4 连接至主控芯片的引脚ADC0；电压值检测电路通过二极管D4 整流给电解电容C5充电，然后由二极管D5 返回零线N，电容C6 滤除高频波，电阻R5 限制电流，光耦U4 的1 脚和2 脚为发光二极管，电压高时，该发光二极管亮度高，电压低时发光二极管亮度低，同时亮度传递至光耦U4的3 脚和4 脚检测亮度情况，并通过引脚ADC0 将亮度的变化情况转换为模拟信号传给主控芯片识别交流电电压值。

经测量，当输入交流电压VIN为240 V 时，VCE＝0.200 V，VADC0＝4.400 V；当输入交流电压为100 V时，VCE＝0.199 V，VADC0＝1.830 V。从光耦TLP521－1 数据手册VCE－IC曲线可知，交流电输入电压在100 V～240 V 时，VADC0和输入交流电压成近似线性，由此可推导出计算VADC0的公式:

VADC0＝(4.400 V/240 V)∗VIN＝VIN/54.5

VIN:输入交流电压

VCE:4 脚到3 脚的压降

IC:通过R6 的电流

VADC0:ADC0 处电压值

我们将电压正常范围设定为210 V～240 V，当电压超出该范围，微处理器给出断电信号，按照以上公式推算，我们将微处理器3 脚VADC0正常工作电压设定为3.8 V～4.4 V。

2.5 交流电保护模块设计

当系统检测到市电电压异常(低于210 V 或高于240 V)，需要系统及时作出反应切断市电电源，交流电自动切断电路设计如图10 所示。

图10 220 V 交流电切断电路

交流电切断电路包括三极管Q1、继电器和开关K1；正常情况下，主控芯片通过引脚P5.5 使三极管Q1 工作，12 V 直流电可以通过继电器线圈4 脚和5脚，形成通路，继电器工作吸合开关K1 的1 脚和3脚，使电流可以流通至输出端口P1；当检测电压异常时，主控芯片通过引脚P5.5 使三极管Q1 停止工作，然后继电器停止吸合开关K1 的1 脚和3 脚，使1 脚与2 脚连接，继而与端口P1 断开，与继电器并联的二极管D3 给线圈的反向电动势提供卸电通路。

2.6 蓝牙通讯模块电路设计

使用蓝牙通讯模块，可以将检测到的电压值实时传送到手机、电脑等终端，如图11。E104－BT40模块是一款基于蓝牙4.2＋3.0 版本的串口转双模蓝牙从机模块，即低功耗蓝牙BLE 与经典蓝牙SPP Profile，可在BLE 与经典蓝牙之间自由切换。工作在全球免许可ISM 2.4 GHz 频段，支持1 Mbit/s～2 Mbit/s 空中速率，有效通讯距离30 m 以上。

图11 E104－BT40 模块应用电路图

E104－BT40 模块使用通用AT 指令设置参数，操作简单快捷。模块仅支持蓝牙从机角色，通过该模块可以使传统的低端串口设备或者MCU 控制的设备进行无线数据传输，是一款低成本，简单，可靠的数据传输模块。

图12 是E104－BT40 模块的应用电路图，E104－BT40 的串口引脚TXD 和RXD 分别和STC15F2K60S2的P2.0 和P2.1 相连接，STC15F2K60S2 将检测到的电压值通过此串口发送到E104－BT40，E104－BT40 再通过无线传输将数据传送到手机、电脑等终端。

图12 蓝牙通讯模块

3 软件设计

3.1 手机端蓝牙通讯软件设计

手机端蓝牙APP 工作流程如图13 所示。首先需要打开手机蓝牙功能，然后手机自动搜索周围转换器，验证信息后就可以获取转换器的检测电压值。

图13 手机端蓝牙APP 工作流程图

3.2 蓝牙通讯可靠性测试

由于病房医疗设备较多，电磁干扰情况复杂，所以有必要对蓝牙通讯可靠性进行测试。测试方案是:在病房安装15 台转换器，一台手机终端，15 台转换器依次间隔500 ms 向手机发送数据包，每台发送3 000 个数据包。我们通过统计得到表1，测试结果显示，丢包率为0.18%，在允许范围内，蓝牙通讯可靠性比较好。

表1 蓝牙通讯测试数据

3.3 安全转换器软件设计

该系统软件部分设计采用基于C 语言的Keilu-Vision5 软件，其中包括电压值检测模块、电压值显示模块和主控芯片控制模块[17]，其设计流程图如图14 所示。

图14 接线安全转换器软件工程流程图

软件系统工作流程为:当交流电接入系统后，程序开始初始化数码管显示模块，然后电压值检测模块开始检测交流电输入电压值，单片机通过模数转换进行计算输入电压值，同时通过E104－BT40 蓝牙模块发送当前检测到的电压到手机、电脑等终端。当输入电压值在210 V 到230 V 之间时，单片机控制继电器接通火线，交流电供设备使用；当输入电压低于210 V 或者高于230 V 时，单片机控制继电器断开火线，手机端蓝牙APP 会响铃提示医护人员电压异常。之后不断监测输入电压值，当输入电压值处于正常范围内时再接通火线。

4 结论

很多医院和实验机构长期受到液体意外渗漏，导致输液泵、注射泵等设备意外损坏的困扰。为了解决临床工作中的此类困扰，该接线安全转换装置通过人性化的物理外观设计防止液体进入到电源插槽内，在该装置的内部增加基于STC15F2K60S2 高速芯片的电压安全检测电路，当供电市电的电压在超过安全电压范围时能够自动切断电路，避免了以上原因导致的设备的损坏，同时设计了无线蓝牙模块，在手机端或电脑端实时监控电压数值，提高了医疗实验设备使用安全性、便利性，具有一定的使用推广价值。