基于醫(yī)療智能冷藏箱的電路板設(shè)計(jì)

常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 瞿新南 劉 斌

基于醫(yī)療智能冷藏箱的電路板設(shè)計(jì)

常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 瞿新南 劉 斌

本文主要以單片機(jī)為核心控制模塊，設(shè)計(jì)了基于醫(yī)療智能冷藏箱的電路板，該冷藏箱要求可以根據(jù)放入物品的需求調(diào)節(jié)溫度，并且能夠在溫度感應(yīng)失常狀況下發(fā)出警報(bào)。

醫(yī)療；冷藏箱；報(bào)警；電路板

醫(yī)用冰箱剛起步的時(shí)候，其實(shí)和家用冰箱并沒(méi)有太多的區(qū)別。但是在生物學(xué)家及醫(yī)療工作者使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)生物活性組織對(duì)溫度敏感性非常強(qiáng)烈。不同的組織、細(xì)胞、病毒需要特定低溫環(huán)境去保存。漸漸的就出現(xiàn)了血液冷藏箱、疫苗冷藏箱、低溫保存箱、超低溫保存箱、深低溫保存箱等一系列以溫度控制為要求的醫(yī)用冰箱的專業(yè)定義。

1.總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)模式切換的智能醫(yī)療冷藏箱，具有模式切換、報(bào)警等功能。基本要求：

（1）具備模式切換功能，能有效的防止醫(yī)療制劑的損壞；

（2）具備安全鎖的功能，當(dāng)有溫度原有值發(fā)生更改時(shí)，復(fù)位電路能有效地阻止；

（3）具備高低溫報(bào)警功能，能有效的防止醫(yī)療制劑的損壞。

本設(shè)計(jì)中的智能恒溫控制系統(tǒng)由制冷模塊、電源模塊、復(fù)位電路模塊、顯示模式、時(shí)鐘模塊、報(bào)警電路單片機(jī)控制模塊及輸入模塊八個(gè)模塊組成。冷藏箱能夠根據(jù)放置物的需求選擇不同的血液儲(chǔ)存模式和疫苗儲(chǔ)存模式。并根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)，感應(yīng)到溫度有偏差超度5℃時(shí)進(jìn)入報(bào)警模式。冷藏箱設(shè)計(jì)整體模塊框圖如圖1所示。

圖1 整體模塊框圖

2.制冷模塊設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體制冷片的工作原理是：當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成電偶對(duì)時(shí)，在這個(gè)電路中接通直流電流后，就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，成為冷端由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。吸熱和放熱的大小是通過(guò)電流的大小以及半導(dǎo)體材料N、P的元件對(duì)數(shù)來(lái)決定。

3.電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊要求需要同時(shí)通過(guò)降壓器降壓，并整流濾波產(chǎn)生不一樣的電源。電源電路主要為整個(gè)電路的運(yùn)作提供電能。由于制冷片與單片機(jī)所需電源電壓不一致，所以需要電源電路可以同時(shí)產(chǎn)生5V與12V兩種電壓，可以由三端固定集成穩(wěn)壓器得到的5V、12V直流穩(wěn)壓電源電路。

如圖2所示，是由三端固定集成穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)的直流穩(wěn)壓5V、12V電源電路。整個(gè)智能溫度控制系統(tǒng)需要用到5V與12V的直流穩(wěn)壓電源，而直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成，圖中220V交流電壓經(jīng)變壓器降壓后，通過(guò)4個(gè)二極管組成的橋式整流電路進(jìn)行整流，再將得到的紋波電壓通過(guò)電容濾波，將脈動(dòng)直流電中的脈動(dòng)交流成分盡量濾除掉，只留下直流成分，使輸出電壓成為比較平滑的直流電壓，最終使用7805、7812三端固定集成穩(wěn)壓器，得到系統(tǒng)需要的5V、12V直流電壓。

圖2 電源電路硬件模塊

4.顯示模塊

利用液晶的物理特性，通過(guò)電壓對(duì)其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，顯示屏顯示電路工作時(shí)溫度。本文選自LM016L液晶顯示器，如圖3所示。

圖3 由LM016L液晶顯示器構(gòu)成的顯示模塊

圖4 顯示模塊硬件電路

如圖4所示，即由LM016L構(gòu)成的顯示模塊，液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過(guò)電壓對(duì)其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出字符、數(shù)字與字母。

5.報(bào)警模塊

報(bào)警電路在醫(yī)療箱中起提示和報(bào)警作用。根據(jù)軟件設(shè)置和程序安排，當(dāng)醫(yī)療箱發(fā)生溫度突變或是超過(guò)保存時(shí)期時(shí)，醫(yī)療箱將發(fā)出聲音以提示用戶檢查醫(yī)療箱。

聲音蜂鳴報(bào)警電路基本工作原理由單片機(jī)控制，采集數(shù)據(jù)之后，若感覺(jué)溫度有變化，超出范圍值，單片機(jī)程序控制蜂鳴器開(kāi)始報(bào)警。主要考慮到電路簡(jiǎn)便易實(shí)現(xiàn)，不僅成本低廉且能夠有效的達(dá)到提醒的目的。因此，本文選擇聲音蜂鳴報(bào)警。

6.主控模塊

本系統(tǒng)選用STC89C51作為主控模塊，單片機(jī)將輸入的被測(cè)溫度信號(hào)與設(shè)定的初始溫度進(jìn)行處理，完成對(duì)溫度的比較計(jì)算，驅(qū)動(dòng)指令的輸出，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及根據(jù)相應(yīng)的溫度、時(shí)間設(shè)置把數(shù)據(jù)信號(hào)輸送給顯示電路中顯示。

如圖5是由STC89C51單片機(jī)為核心的主控模塊，該單片機(jī)的3組I/ O端口中，將P1口作為輸入端，與按鍵輸入端連接。P0端口作為輸出端與顯示器相連接，X1X2外接電容與電阻到GND組成晶振電路。9號(hào)管腳（RESET）外接電阻電容組成復(fù)位電路，RESET接+5V電源。

圖5 以STC89C51為核心的主控模塊

單片機(jī)模塊硬件設(shè)計(jì)電路原理圖如圖6所示。

圖6 單片機(jī)模塊硬件電路圖

7.總系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合智能醫(yī)療設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)的PCB板形狀設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形，長(zhǎng)為90mm，寬為80mm，可以安放在智能醫(yī)療箱的內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)所有設(shè)定的功能，原理圖如圖7,PCB板如圖8所示。

圖7 系統(tǒng)原理圖

圖8 系統(tǒng)PCB

8.總結(jié)

本設(shè)計(jì)具有穩(wěn)定可靠、溫度模式可調(diào)、溫度變化報(bào)警等功能，同時(shí)簡(jiǎn)化了電路，節(jié)省了成本，提高了效率；同時(shí)也存在一定的缺點(diǎn)，主要有不可能排除掉其他影響溫度的因素，對(duì)于更大環(huán)境范圍內(nèi)的溫度控制也存在不可控性的可能。

[1]曹才開(kāi)等.電路分析基礎(chǔ)[M].北京清華大學(xué)出版社,2009,6.

[2]清源科技.電路原理圖與PCB設(shè)計(jì)及仿真[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[3]戴仙金.51單片機(jī)及其C語(yǔ)言程序開(kāi)發(fā)實(shí)例[M].北京：清華大學(xué)出版社,2008.

瞿新南（1980—），女，講師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)硬件開(kāi)發(fā)。

本文受江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目（PPZY2015A090）資助。