一种婴儿培养箱中央温度监测系统的设计

汤栋生

厦门市妇幼保健院 运营管理部，福建 厦门 361003

引言

婴儿培养箱为低体重儿、病危儿、新生儿恒温培养、新生儿体温复苏等营造一个空气适宜、温湿度适宜、温暖舒适、类似母体子宫的优良环境，从而对婴儿进行培养和护理[1]。现存的婴儿培养箱都具有温度监测和温度报警装置，用于对婴儿培养箱箱体温度的实时监测。近年来各种低体重儿、病危儿等人数的增加，医务人员在看护过程中不能每时每刻关注每一台婴儿培养箱的温度情况，因此当设备发生故障时无法及时停止治疗或者调整治疗方案，导致新生儿在婴儿培养箱治疗过程中被烧伤的事件在不断上升[2]。

基于上述情况，设计一种婴儿培养箱中央温度监测系统，采用AT89C51为主控芯片，以DS18B20为传感器采集箱体温度，进而把监测温度显示在中央温度监测软件上，便于医务人员对所有婴儿培养箱箱体温度的实时监测。本系统对各种婴儿培养箱的温度监测采用以外接的方式加入温度监测模块，再通过数据线将监测温度传输到监测主机的采集卡，最后通过监测软件实时温度[3]。

1 设计路线和实现

本系统首先设计婴儿培养箱温度监测模块，再设计中央温度监测模块。每一个婴儿培养箱可以内置一个温度监测模块，然后再把所以温度监测模块采集的温度集中显示在中央监测软件上[4]。其系统结构，见图1。

图1 中央温度监测系统结构示意图

1.1 硬件设计

本系统采用的主芯片为AT89C51，是一款低电压、高性能CMOS的8位微处理器。内置4 K可编程FLASH存储器、32可编程I/O线、128×8位内部RAM、两个16位定时器/计数器、低功耗的闲置和掉电模式等，其电路部分包括电源电路、主控制电路、按键电路、温度采集电路、数码管显示电路、数据传输电路[5]。其系统框图，见图2。

图2 控制电路系统框图

1.1.1 主控制电路

主控制电路采用AT89C51为主控制器，其VCC接+3 V给整个电路供电，X1接口、X2接口连接晶振电路，Y1晶振为单片机提供晶振频率，C5、C6为滤波电容，提供晶振电路的稳定性，PZ2用于接上拉电阻，一是提供端口驱动能力，二是防止端口悬空，提供系统稳定性[6]。其电路图，见图3。

图3 主控制电路

1.1.2 温度采集电路

系统采用的温度传感器为DS18B20，其供电电压范围为+3.0～5 V，测温范围为-55°～+125°，可通过编程实现9～12位的数字读书方式，用户可自设定非易失性的报警上下限值，具有接口简单、精度高、抗干扰能力强、工作稳定可靠等优点[7]。其电路图，见图4。

图4 温度采集电路

从图中可知，温度传感器与主控制器只需一条线就可实现双向通行。DS18B20的DQ端连接主控制器的P1.0端，VCC端连接输入电压，并通过R18连接信号通行线，GND连接地[8]。

1.1.3 数据输出电路

系统采集的温度数据通过串口传输到电脑主机的采集卡上，再通过中央监测系统显示监测温度。主控制器的串行接口是一个可编程的全双工串行通讯接口，本系统采用异步通讯方式与串行传送信息的采集卡相连接，进而实现采集温度的数据传输。其电路，见图5，芯片MAX232的T1.1端、R1.0端连接主控制器的P3.1端、P3.0端；T1.0端、R1.1端通过串口线连接计算机主机的采集卡。该电路通过C1+、C1-连接 C7；C2+、C2-连接 C8；VCC、V+连接C9；V-、GND连接C10，用于稳定系统[9]。

图5 数据传输电路

1.1.4 按键电路、显示电路和报警电路

系统通过按键电路可以设定婴儿培养箱的报警温度和复位程序，系统把监测的温度显示在数码管上，当监测的温度与设定温度相差超过2℃时，会启动报警电路[10]。

1.2 软件设计

系统开机会首先进行系统的初始化并扫描按键，在采集温度数据之前先对温度传感器进行初始，接着进行温度采集并进行显示，当发现温度异常时，报警电路进行报警，并把温度监测数据通过串口传输到计算机的采集卡上，通过中央监测系统进行温度显示[11]。其主程序，见图6。

图6 主程序流程图

2 温度监测系统功能设计

婴儿培养箱中央温度监测系统可以根据用户自定义选择监测婴儿培养箱的台数，并可以在软件上设定培养箱名称、培养箱位置、监测时间、温度设定值、温度采样值等参数[12]。其临床参数监测结果，见表1。

在婴儿培养箱温度监测过程中，每一个需要监测的培养箱连接到计算机的串口上，通过软件设置培养箱的位置、监测时间和培养箱本身设置的温度值，进而开始对培养箱进行温度采样，当采样的温度值超出报警值时，温度采样值出现为红色闪烁，提示工作人员温度异常，尽快查看相应婴儿培养箱的运行情况[13-14]。本系统设定的中央监测系统的最大温度超过2℃时，会强行启动报警，提示医务人员设备运行异常；系统根据医务人员的要求，可自行设定报警温度的界限，从表1可知，本系统的采集的温度跟设定值相比，温差仅为0.2℃，符合设备的使用要求。

表1 婴儿培养箱中央监测系统临床使用参数表

在婴儿培养箱温度的监测上，传统的培养箱都自带有温度监测装置，本系统设计的婴儿培养箱中央温度监测系统与其自带的温度监测进行对比，通过对四台婴儿培养箱的37℃温度监测对比，结果见表2。

表2 四台婴儿培养箱的37℃温度监测对比 (℃)

通过测试，本系统监测的温度值与婴儿培养箱自带的温度监测系统一样精确。本系统可以把临床科室所以的温度监测结果集中到护士站上，便于护士的实时观察，进一步保证护士在临床护理过程中及时关注设备的运行状况，保证患者的使用安全。

3 讨论

婴儿培养箱通过计算机技术对箱体温度实施伺服控，根据设置温度与实测温度进行比例加热控制，进而为新生儿患者提供舒适的生存环境。本系统针对目前大部分婴儿培养箱没有进行中央温度监测，导致有些新生儿被烧伤的情况，设计一种中央温度监测系，只需以外接的方式采集婴儿培养箱的箱体温度，进而显示在中央监测软件上，达到实时监测的目的。该系统不仅让医务人员关注婴儿培养箱的运行情况不受物理环境的影响，还进一步监测婴儿培养箱的温度，可以降低临床医疗风险。整个系统低功耗、使用方便、稳定性高、便于携带，便于婴儿培养箱的实时检测[15]。

本系统采用串口的方式将监测温度数据通过采集卡传输到计算机上，由于每台婴儿培养箱需要连接串口线，导致房间的布线增多。因此，下一步可以采用无线的方式传输温度监测数据到移动手机上，并设计开发温度监测APP软件，让婴儿培养箱的温度监测更加真实有效[16]。

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