急救和生命支持设备后备电池自动维护装置的研制

刘长水

北京京煤集团总医院 医学工程部，北京 102300

急救和生命支持设备后备电池自动维护装置的研制

刘长水

北京京煤集团总医院 医学工程部，北京 102300

目的 研制一种急救生命支持设备的后备电池自动维护装置，确保急救生命支持设备在突然断电情况下的不间断使用。方法 装置由后备电池自动周期维护单元、电池放电电压采样单元、交流电与电池自动切换单元、交流电停电报警单元以及电池极限低电压报警单元组成。采用AT89S51单片机控制该装置自动对后备电池进行维护。结果 本装置在使用过程中，按照设定的程序，自动对电池进行充放电工作。同时具有电池电压监控功能，一旦后备电池电压过低时，装置发出声光报警信号，以确保设备的正常运行使用。结论 本装置可在各种急救生命支持设备上使用，也可应用在其他需要利用后备电池供电的非急救设备上，对于延长蓄电池使用寿命，具有广泛地推广作用。

电池自动维护装置；后备电池；单片机；急救设备

0 前言

急救生命支持设备（以下简称为设备，包括呼吸机、除颤器、输液泵、注射泵等）是医院抢救治疗危重病人的必备医疗设备，应保证其24h不间断地运行。特别是在遇到突然停电断电的情况下，能够利用机器自带的后备电池供电，以确保对危重病人的抢救和治疗的不间断进行[1]。

北京市卫生局《北京地区医院管理考核评价标准实施细则》2009版要求，医院要保障设备处于完好状态，急救生命支持系统仪器设备要保持完好[2]。

1 常用后备电池的特性

(1)目前医院急救生命支持设备上配备的后备电池。大都为免维护可充电电池（即二次电池也称蓄电池），该类电池可反复充放电，实现电能和化学能之间的可逆转换，达到能量的储存和释放[3]。

电池是一种化学电源，是在氧化还原的电化学过程中将化学能转化为电能。化学电源主要由正极、负极和电解质构成。蓄电池工作时，正极和负极发生的反应均是可逆的。可以通过充放电的方式使两个电极的活性回复到初态，使蓄电池具有再次使用的功能。当蓄电池充电时，电能转变为化学能储存在蓄电池中；蓄电池放电时，化学能转变为电能，实现向负荷供电过程[4]。

(2)根据蓄电池的结构不同，目前市场上蓄电池的主流产品主要有4类：铅酸（LA）蓄电池、镍镉（NiCd）蓄电池、氢镍（NiMH）蓄电池、锂离子（Li-Ion）蓄电池。其中铅酸蓄电池由于生产历史悠久（1859年发明，至今已有150多年历史），具有技术成熟、成本低廉、电池内阻小、放电电流密度大、自放电缓慢、放电工作电压平稳、工作温度范围宽、跟随负荷输出特性好等优点，仍作为蓄电池中的主要产品被广泛使用[4]。

早期生产的普通铅酸蓄电池存在使用寿命短、效率低、维护复杂，产生的酸雾污染环境等问题，已逐渐被VRLA蓄电池所取代。

(3) VRLA蓄电池，即阀控式密封铅酸（Valve Regulated Lead Acid 简称VRLA）蓄电池，是20世纪70年代发展起来的一种新型结构的蓄电池。VRLA蓄电池整体采用密封结构，解决了酸液和酸雾易于外溢的技术难题，加之可以免除以往蓄电池需补水维护的过程，故也称为“免维护”蓄电池。由于免维护蓄电池安装方式不受限制，可以任意方向放置，使用极为方便，因此可以与电子设备放在一起使用，广泛应用于通信、不间断电源（UPS）、安全报警、应急灯、电子设备、医疗设备等领域[5]。

(4)“免维护”蓄电池并不是不要任何维护，为了提高VRLA蓄电池的使用寿命，除了免除补水维护外，其他方面的维护与普通铅酸蓄电池是一样的，包括定期检查蓄电池的状态、定期对蓄电池进行充放电操作维护[6]。

在影响VRLA蓄电池使用寿命的诸多因素中，长期浮充电是重要的影响因素之一。VRLA蓄电池处于长期的浮充电状态下，只充电，不放电，这种工作状态会造成VRLA蓄电池的阳极极板钝化，使电池内阻急剧增大，容量大幅下降，造成VRLA蓄电池的实际容量（AH）远远低于其标准容量，从而导致VRLA蓄电池所能提供的实际后备供电时间大大缩短，甚至为零[4]。

(5)目前无论是进口设备或是国产设备，都没有为后备电池设计自动维护装置。特别是在不经常停电的医院里，为了保障电池电量充足，设备长期使用交流电供电，使得后备电池处于长期浮充电状态，不能进行正常的充放电维护，造成了后备电池的供电性能下降，甚至失去功能。当真正遇到停电需要后备电池供电时，又会因电池功能丧失而使设备无法发挥作用，延误或失去对危重患者的抢救时机，造成极大的甚至无法挽回的损失[7,8]。

2 实现原理

研制的后备电池自动维护装置结构，如图1所示。由AT89S51组成的单片机控制器、交流电通断控制继电器、输入输出设备（电源及信号输入输出接口、按键、BCD数字开关、LED数码显示器）、电池电压检测电路、报警电路、电源变换整流器等组成。单片机控制器根据设定的时间周期，定时对交流电通断来控制继电器的通断，同时实时监测后备电池的电压，当电池电压下降到规定的低限值时，自动转为交流电供电，达到对后备电池进行自动维护的目的。装置还设计了交流电停电和电池失效报警器。

图1 后备电池自动维护装置结构示意图

3 硬件设计

3.1单片机控制器[10-12]

单片机控制器由单片机、电压比较器、声光报警电路、继电器控制电路等组成。

3.1.1 单片机。采用AT89S51型单片机，MCS-51汇编语言编写程序。

3.1.2 电压比较器。采用1/4 LM339电压比较器，使用其中两组。

3.1.3 声光报警电路。采用φ5mm LED发光二极管和5V蜂鸣器组成声光报警电路。

3.1.4 继电器控制电路。由5V小型直流继电器、8550 PNP型三极管、1N4008二极管组成。

3.2 控制继电器

采用12V中间继电器，触点容量为220V 、10A。

3.3 输入输出设备

包括交流电源输入输出插座、电池检测信号插座、START和RESET按键，两位BCD数字按键开关（用于设定维护时间），两位共阳极LED数码显示器（用于显示设定的时间）。

3.4 电源变换器

电源变换器由一体化电源模块和滤波电容组成，为单片机控制器供电。

3.5 各模块功能

3.5.1 控制模块。由AT89S51 单片机控制本装置的工作。

3.5.2 电池电压检测模块。由1/4 LM339电压比较器组成，用以实时检测后备电池的实际电压。

3.5.3 交流电通断控制模块。由继电器组成，用以控制设备交流电源的通断。

3.5.4 电源模块。由一体化电源和滤波电容组成，采用LFP-20S12W 型一体化电源，输入电压交流85～265V，输出电压为直流12V。

3.5.5 显示模块。采用两位共阳极LED数码显示器组成。

3.5.6 电池电压过低报警模块。由1/4 LM339电压比较器、8550 PNP型三极管、 1N4008型二极管、 5V小型直流继电器、 LED发光二极管、 5V蜂鸣器等组成。一旦电池电压低于规定值后，报警模块发出声光报警信号。

3.5.7 电网停电报警模块。由8050 NPN型三极管、1N4008型二极管、5V小型直流继电器、LED发光二极管、5V蜂鸣器等组成。一旦市电供电系统发生停电时，报警模块发出声光报警信号。

3.5.8 设置模块。采用两位BCD数字拨盘开关对装置自动维护的间隔时间进行设置，两次维护的间隔可设置为1～99天。

4 软件设计

本装置控制程序流程如图2所示。

图2 控制程序流程图

5 工作原理[13-16]

交流电源进入本装置后分为两路：一路经电源变换整流器输出12V直流电压供单片机控制器使用；另一路经由控制继电器的常闭接点至输出插座，为所连接的设备供电使用，（如图3所示）。

单片机控制器得电并接收到START按键的信号后，进入工作状态。根据两位BCD数字按键开关设定的维护时间进行运行，待到达设定的时间后，单片机向控制继电器发出信号，控制继电器吸合，常闭接点断开，模拟电网停电，使设备利用后备电池进行逆变供电工作。

图3 电源供电电路示意图

在单片机控制器内设有由1/4 LM339组成的电压比较器，从电池检测信号输入插座上检测电池的电压，（如图4所示）。设备后备电池的供电能力随时间的延长而降低，当其电压降低到比较器设定的电压翻转阈值（10.7V）时，比较器输出由高电位变为低电位，此信号传送到单片机P3.1口，则单片机P3.3口输出“1”，8550截止，继电器K1由吸合状态变为释放，继而使控制继电器K3掉电释放，其常闭接点闭合，使设备继续由交流电供电工作。

图4 电池电压检测电路示意图

图5 报警电路示意图

在单片机控制器内还设计有两路声光报警电路[17]，（如图5所示）：一路由1/4 LM339组成电压比较器，实时检测设备后备电池的电压。当检测到的电池电压接近电池的终末电压（10.5V）时，单片机P3.4口输出“0”，8550导通，继电器K4吸合，发出“电池电压低”的声光报警信号，提醒管理人员更换电池。另一路报警电路监测电网的供电情况，一旦发生电网停电，设备立即改由后备电池供电。由于电网停电，由电源变换模块提供的直流12V电压变为零，继电器K2释放，其常闭接点K2-1闭合，发光二极管和蜂鸣器发出“电网停电”的声光报警信号，提醒管理人员进行必要的处理。

6 工作过程

使用时，将急救生命支持设备的电源插头插在本装置的电源输出插口上，将设备后备电池的正负极分别引出接在本装置的信号接口上。将本装置接上220V交流电源，设定自动进行维护的时间（1～99天），开启本装置的电源开关后，即可实现对后备电池进行自动充放电的维护。按下启动按键，设备正常工作。当到达设定的维护时间时，本装置自动切断交流电压输出，模拟停电状态，设备改由后备电池供电工作。随着时间的延长，后备电池电压逐渐降低，一旦降低到装置设计的电压阈值时，单片机控制器自动转换为交流电供电。

7 应用效果

使用本装置后，可以自动实现对设备后备电池的维护，定期对后备电池进行充放电操作，延长后备电池的使用期限，提高电池的使用效率和性能。由于实现了自动维护功能，减轻了操作人员的劳动强度。

当电网停电时，在由后备电池供电的同时，本装置会发出“电网停电”的声光报警信号，通知管理人员。

当后备电池性能严重下降，电压到达电池的终末电压阈值时，本装置会发出“电池电压低”的声光报警信号，通知技术人员更换电池。

8 结束语

本装置的研制和应用，大大改善和提高了急救生命支持设备后备电池的电气性能，不仅可以实现对后备电池的定时地自动维护，也减轻了人工维护的劳动强度，更重要的是对电池的电压参数可以进行定量的监测，确保电池的性能，保证急救生命支持设备真正随时处于完好状态。对于提高危重患者的救治率，进一步确保急救设备的安全性能，具有重要意义。

[1] 谭宏峰,蒋德林.急救设备的使用与常见故障维护[J].医疗设备信息,2005(5):69.

[2] 北京地区医院管理考核评价标准实施细则[S].2009版.北京:北京市卫生局,2009:131-132.

[3] 杨军,解晶莹,王久林.化学电源测试原理与技术[M].北京:化学工业出版社,2006(4):1-2.

[4] 周志敏,周纪海,纪爱华.阀控式密封铅酸蓄电池实用技术[M].北京:中国电力出版社,2004:1-21.

[5] 刘广林.铅酸蓄电池工艺学概论[M].北京:机械工业出版社,2008.

[6] 王志奇,徐兴良,张红.浅析医院中心机房安全稳定运行的必要因素[J].医疗设备信息,2007(1):33.

[7] 赵亚舒.例说医学工程技术人员与医护人员的配合与沟通[J].医疗设备信息,2006(7):95.

[8] 方灿亮.做好医用电子设备的保养工作[J].中国医疗设备,2009(1):88.

[9] 余永权.ATMEL89系列Flash单片机原理及应用[M].北京:电子工业出版社,2000.

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[12] 何兵.自动控制原理及应用[M].成都:西南交通大学出版社,2008.

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[14] 吴援明,唐军.模拟电路分析与设计基础[M].北京:科学出版社,2006.

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[17] 崔海波,严红剑,徐秀林.医用电子设备报警系统的研究[J].中国医疗设备,2009(1):45.

The Development of Backup Battery Automatic Maintenance Device for First-Aid and Life-Support Medical Equipment

LIU Chang-shui
Medical Engineering Department,Beijing Jingmei Group General Hospital, Beijing 102300, China

Objective To develop a backup battery automatic maintenance device for first-aid and lifesupport medical equipment,which can keep the equipment working while interruption of power supply.Methods The device consists of backup battery automatic maintenance unit, battery discharge voltage sampling unit, AC and battery auto switch unit, AC power failure alarm unit and battery limited low voltage alarm unit. Adopted AT89S51 single chip machine to automatic maintain backup battery.Results According to the control procedure, the device can automatic charge and discharge.Besides,it can monitor the voltage of the battery. Conclusion The device can be used in sundry first-aid and life-support medical equipment and other equipment which need to use backup battery.

battery automatic maintenance device; backup battery; single chip machine; first-aid equipment

TM910.7；TM912

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.12.005

1674-1633(2010)12-0010-03

2010-07-19

2010-09-26

专利：国家知识产权局实用新型专利(201020183442.1)。

作者邮箱：liuchangshui@sina.com