婴儿培养箱温度报警控制器的设计

梁小亨，吴洪仔

东莞东华医院 （广东东莞 523110）

由于我院发生过多次因婴儿培养箱加热温度过高且没有温度报警装置造成的医疗器械不良事件[1-2]，而市面上又没有一款针对婴儿培养箱的温度报警装置[3]，因此，我院设计了一款婴儿培养箱温度报警控制器，在婴儿培养箱加热失去控制时可以及时报警，并且在婴儿培养箱温度过高时可以立刻断电，从而避免严重灼伤医疗事故的发生。其功能、硬件设计、软件设计等报道如下。

1 功能

该温度报警控制器专门用于婴儿培养箱，一般婴儿培养箱的设置箱温为31～36 ℃，因此，设计当婴儿培养箱的温度报警控制器在箱温为30～37℃之间时不会报警，当婴儿培养箱的箱温高于37 ℃时，温度报警控制器会发出报警声并自动断电，避免婴儿培养箱的箱温过高对婴儿产生灼伤危险；婴儿培养箱开机后需要一段时间加热才能达到设置的温度，此时温度报警控制器不会报警，当婴儿培养箱开机30 min 后箱温依然没有高于30 ℃或者婴儿培养箱在正常使用过程中箱温突然低于30 ℃时，温度报警控制器会发出报警声，避免婴儿培养箱的箱温长时间保持低温对婴儿造成不良反应。同时，该温度报警控制器具有温度显示功能，可显示探测的实时温度。

2 硬件设计

本设计使用直流电压5 V 作为电路的供电电压，使用单片机AT89C51 进行程序控制，使用HBC06LSPA 霍尔电流传感器作为电流检测传感器，用以确定婴儿培养箱是否处于使用状态，使用DS18B20 作为温度传感器，使用数码管显示当前探测到的温度值，使用1 个5 V 继电器控制婴儿培养箱供电和断电，使用蜂鸣器作为报警器，使用74LS244 对数码管进行驱动，使用74LS244 和三极管组成电路对继电器和蜂鸣器进行驱动。另外，本设计使用Proteus 软件进行仿真实验[4]。

2.1 使用Proteus 软件对HBC06LSPA 霍尔电流传感器电路进行验证

当婴儿培养箱关机时，HBC06LSPA 霍尔电流传感器感应的电流为0 A，HBC06LSPA 霍尔电流传感器输出2.5 V 电信号。当婴儿培养箱开机使用时，婴儿培养箱需要0.8～4 A 的电流，对应HBC06LSPA霍尔电流传感器会输出2.76～3.8 V 的电信号，电信号经过两个三极管放大后给到NE555 触发器，产生0 V 或5 V 信号给到单片机的P3.7 脚。当HBC06LSPA霍尔电流传感器输出大于2.7 V 的电信号时，经过电路处理后P3.7 脚输入低电平，代表婴儿培养箱在使用状态；当HBC06LSPA 输出小于2.7 V 的电信号时，经过电路处理后P3.7 脚输入高电平，代表婴儿培养箱为关机状态[5]。

由图1 可知，当婴儿培养箱在关机状态时，HBC06LSPA 霍尔电流传感器产生2.5 V 电信号，经过电路处理后P3.7 输入5 V 高电平信号，此时代表婴儿培养箱处于关机状态。

图1 婴儿培养箱关机状态图

由图2 可知，当婴儿培养箱在使用状态时，HBC06LSPA 霍尔电流传感器产生2.76 V 以上电信号，经过电路处理后P3.7 输入0 V 低电平信号，此时代表婴儿培养箱处于使用状态。

图2 婴儿培养箱使用状态图

2.2 单片机、温度传感器和数码管电路

由图3 可知，DS18B20 温度传感器通过DQ 脚与单片机P3.3 脚连接，单片机的P0、P2 口与2 个74LS244 连接，用于驱动数码管，同时由于数码管低电平有效，通过10 个上拉电阻在无输出时拉高电平。

图3 单片机、温度传感器和数码管电路

2.3 单片机、继电器和蜂鸣器电路

由图4 可知，单片机控制继电器断电（D1 LED灯不亮说明断电），并控制蜂鸣器报警（给蜂鸣器的电压大于3 V 说明报警）[6]。

图4 单片机和继电器、蜂鸣器电路

2.4 整体电路

由图5 可知，整体电路包括霍尔流量传感器电路、温度传感器电路、数码管电路、继电器电路、蜂鸣器电路等，由于位置所限，图5 省略了单片机的晶振电路和复位电路。

图5 温度报警控制器整体电路

3 软件设计

根据本设计功能要求，结合硬件电路图，制定出本设计程序的流程图，如图6 所示。

图6 温度报警控制器流程图

本设计软件程序使用汇编语言进行编写，使用Keil 软件平台编译[7]，下面是使用汇编语言编写的全部程序[8]：

4 测试

本设计使用Proteus 软件对软硬件进行验证测试，以确定设计的可行性。

测试当婴儿培养箱箱温在30～37 ℃正常温度范围内的情况：数码管显示当前探测到的温度，继电器继续通电（D1 LED 灯亮说明正常通电），不会报警（给蜂鸣器的电压为0 V，说明没有报警），如图7 所示。

图7 当婴儿培养箱箱温在30～37 ℃正常温度范围内的情况

测试当婴儿培养箱箱温高于37 ℃时的情况：数码管显示当前探测到的温度，继电器断电（D1 LED 灯不亮说明断电），箱温过高报警（给蜂鸣器的电压大于3 V，说明报警），如图8 所示。

图8 当婴儿培养箱箱温高于37℃时的情况

测试当婴儿培养箱箱温低于30 ℃时的情况：数码管显示当前探测到的温度，继电器继续通电（D1 LED灯亮说明正常通电），婴儿培养箱开机30 min内的箱温过低不会报警，婴儿培养箱开机30 min 后的箱温过低会报警（给蜂鸣器的电压大于3 V，说明报警），如图9 所示。

图9 当婴儿培养箱开机30 min 后箱温低于30 ℃时的情况

经Proteus 仿真测试，温度报警控制器的硬件与软件匹配良好，整个系统测试成功。

5 结语

利用软件Proteus 可很好地对电路的软硬件进行调试和仿真测试，大大提高了开发效率，避免了直接在实际电路中调试造成的不便。本研究所设计婴儿培养箱专用的温度报警控制器，可以在箱温过高时起到报警提示作用，并切断婴儿培养箱供电电源，使婴儿培养箱及时断电关机，从而让婴儿培养箱加热棒停止加热；另外，也可以在箱温偏低情况下，及时发出报警提示，为临床医务人员提供双重报警保护提示。综上所述，本研究所设计婴儿培养箱专用的温度报警控制器可以保障婴儿培养箱正常安全使用。