基于Proteus的PX2001型野戰(zhàn)洗手器的功能改進(jìn)與仿真

張 偉　李效銀　尹曉峰　張谷敏　王靜雅

PX2001型野戰(zhàn)洗手器(上海品興公司)是一款適用于野戰(zhàn)環(huán)境下，便于清洗消毒的洗手裝置，其主要應(yīng)用于現(xiàn)役部隊(duì)衛(wèi)生院(所)，便于醫(yī)護(hù)人員在開展醫(yī)療工作前的消毒清洗工作。野戰(zhàn)洗手器以水泵作為動(dòng)力系統(tǒng)[1]進(jìn)行消洗作業(yè)，具有便攜、安全、使用方便、無交叉感染等特點(diǎn)，使用范圍廣泛；應(yīng)用頻率之高，故其故障率高發(fā)，尤其是水泵故障尤為突出。為此，本研究對(duì)野戰(zhàn)洗手器進(jìn)行功能改進(jìn)升級(jí)，確保其使用安全可靠。

1　野戰(zhàn)洗手器功能改進(jìn)

1.1　野戰(zhàn)洗手器常見故障

通過對(duì)部隊(duì)此類裝備的檢修數(shù)據(jù)分析，PX2001型野戰(zhàn)洗手器因水泵動(dòng)力系統(tǒng)失靈[2]而引起的裝備故障率在96%以上，為避免此類故障的高發(fā)，本研究對(duì)其結(jié)構(gòu)認(rèn)真分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)水泵在凈水桶缺水的狀態(tài)下仍舊高速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而降低水泵壽命，導(dǎo)致故障頻出。

1.2　故障分析

為避免此類故障的發(fā)生，應(yīng)防止水泵因缺水而長(zhǎng)時(shí)間空轉(zhuǎn)，如果利用人為因素來時(shí)常注意凈水桶水位，不夠精確，浪費(fèi)人力和時(shí)間，且做不到實(shí)時(shí)觀察，無法較好的避免。為此，應(yīng)增加一部分凈水桶內(nèi)水位監(jiān)測(cè)模塊，利用單片機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制凈水桶內(nèi)的水位變化，在其缺水的狀態(tài)下，能及時(shí)有效的切斷水泵工作電壓，有效避免其空轉(zhuǎn)干燒而造成的損壞后果。既解放了人力，又節(jié)約時(shí)間，做到精準(zhǔn)到位，全程無任何交叉感染，有效避免人體接觸。

1.3　原有電路分析

PX2001型野戰(zhàn)洗手器的電路部分由電源整流電路、變壓電路、比較電路、延時(shí)電路、CPU及水泵控制電路等部分組成(如圖1所示)。

圖1　洗手器工作流程圖

分析水泵控制電路得出，打開電源，通過變壓器分壓15 Vac加入電路，通過整流、濾波。一路通過L7805CV穩(wěn)壓5 Vdc，為單片機(jī)，各個(gè)芯片部件供電，保證其能正常工作；另一路通過繼電器，WS3(LM317T)調(diào)壓，提供9～10 Vdc穩(wěn)壓電源，為水泵供電[3-4]。當(dāng)有電源時(shí)，電源指示燈亮起，同時(shí)單片機(jī)IC1(HMS87C1202AP)工作，2腳、10腳輸出高電平，注水指示燈亮起，三極管VT1導(dǎo)通，J1繼電器工作，從而使得WS3調(diào)壓后的電壓直接加在水泵上，水泵工作，開始注水。水泵工作與否，是通過單片機(jī)IC1的10腳輸出電源高低，從而控制VT1的通斷，進(jìn)而控制J1工作與否來決定水泵是否工作。

該型號(hào)洗手器采用無接觸型光感探頭控制出水模式，可以有效節(jié)約用水，防止觸摸帶來的交叉感染[5]。光電傳感器有棕、黑、藍(lán)3條線，其中棕色電源線接+5 Vdc、黑色為信號(hào)線(起初為高電平)、藍(lán)色為接地線。當(dāng)有需要洗手消毒時(shí)，靠近洗手器，光電開關(guān)感應(yīng)到有物體的漫反射光[6]使得IC2芯片的3號(hào)引腳(即黑色信號(hào)線)由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，從?腳輸出電壓由高電平跳變?yōu)榈碗娖絺鬏斀oIC1的中斷引腳16腳，單片機(jī)接受中斷，判斷有需要洗手消毒，10腳輸出高電平，進(jìn)而控制J1導(dǎo)通，水泵開始注水，使得水箱因水滿而溢出，達(dá)到出水目的。當(dāng)無需要洗消工作時(shí)反之，J1斷開，水泵停止注水，以達(dá)到節(jié)約用水的目的。

針對(duì)洗手器的工作流程分析，只有切斷水泵電源，才能有效防止水泵因缺水而干燒造成損壞。然而切斷電源有兩種途徑，①自動(dòng)切斷裝置的總電源；②自動(dòng)切斷水泵的供電電源。分析兩種措施得出：如果切斷總電源，固然在缺水時(shí)能夠?qū)λ闷鸬胶芎玫谋Ｗo(hù)作用，然而裝置的總電源斷電會(huì)影響到其他部件的正常工作，無法處于待機(jī)狀態(tài)，即使重新補(bǔ)充水源，洗手器也無法在較短的時(shí)間內(nèi)發(fā)揮作用；而第二種措施是在水泵的供電回路中增加一個(gè)繼電器，增設(shè)水位監(jiān)測(cè)及聲、光報(bào)警電路，通過水位開關(guān)的通斷監(jiān)測(cè)從而通過繼電器控制水泵供電回路的通斷，實(shí)現(xiàn)聲、光報(bào)警，這樣對(duì)裝置其他部件不影響，均處于待工作狀態(tài)[7]。補(bǔ)給水源后，裝置能夠在較快的時(shí)間內(nèi)投入使用，為工作人員的后續(xù)工作爭(zhēng)取了時(shí)間。

2　野戰(zhàn)洗手器電路措施改進(jìn)

研究發(fā)現(xiàn)，此洗手器的電路分析易于簡(jiǎn)單，由單純的單片機(jī)IC1和比較器IC2芯片簡(jiǎn)單控制實(shí)現(xiàn)水泵的工作與否，但缺少實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)凈水桶內(nèi)水位狀況，無法保證凈水桶內(nèi)缺水使水泵停止工作，進(jìn)而水泵損壞率頗高發(fā)。為此，本研究采用第二種(自動(dòng)切斷水泵的供電電源)措施，增設(shè)了繼電器、水位監(jiān)測(cè)報(bào)警電路，以便通過單片機(jī)、報(bào)警電路等部件，監(jiān)測(cè)凈水桶缺水時(shí)及時(shí)有效的切斷水泵電源，并發(fā)出聲、光報(bào)警提醒凈水桶缺水，能夠很好的解決水泵因缺水而空轉(zhuǎn)干燒的問題[8]。

改進(jìn)的洗手器增加的聲、光報(bào)警電路，輸入端+5 Vdc由線路板+5 V提供，輸入端INPUT與線路板WS1的輸入端相連，供給繼電器J5線圈電壓，輸入端PUMF-與線路板PUMF-觸點(diǎn)相連，輸入端PUMF+與線路板PUMF+相連，輸出端PUMF--OUTPUT和PUMF++OUTPUT分別與水泵的引腳相接。所選擇的液位開關(guān)是EP-4310塑料小浮球開關(guān)，此類浮球開關(guān)主要由磁簧開關(guān)和浮子組成，浮子內(nèi)有磁性材料，浮子隨被測(cè)液位上下移動(dòng)，觸動(dòng)磁簧開關(guān)而檢出液位位置。相比較其他液位開關(guān)，其具有體積輕巧、工作原理簡(jiǎn)單、可靠性高、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，被應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家用電器等諸多領(lǐng)域[9]。

洗手器使用時(shí)，接通電源，不再像原有電路一樣，凈水桶內(nèi)無論有水無水，水泵直接工作，而是先通過液位開關(guān)判定凈水桶是否有水，是否滿足水泵工作環(huán)境，當(dāng)凈水桶內(nèi)液面滿足條件，浮子浮起，觸動(dòng)磁簧開關(guān)導(dǎo)通，繼電器J5不工作，從而使水泵電源形成完整回路，水泵工作并開始注水，此時(shí)聲、光報(bào)警電路不工作并當(dāng)凈水桶內(nèi)缺水時(shí)，浮子落下，磁簧開關(guān)斷開，致使三極管VT2導(dǎo)通，J5得電吸合，進(jìn)而切斷了水泵的工作回路，水泵停止工作，能夠避免因缺水而空轉(zhuǎn)，同時(shí)，洗手器的聲光報(bào)警電路開始工作，紅色LED燈亮起，蜂鳴器LS1報(bào)警，提醒工作人員凈水桶內(nèi)缺水，需及時(shí)補(bǔ)充水源(如圖2所示)。

3　野戰(zhàn)洗手器電路仿真

模擬電路仿真選用英國(guó)Labcenter electronics公司開發(fā)的Proteus工具軟件[10]。此款軟件具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、微處理器及外圍電路組成系統(tǒng)仿真、各種虛擬儀器測(cè)試及圖表分析功能、PCB布板等眾多強(qiáng)大的功能，可以方便完成本研究試驗(yàn)所需的模擬(數(shù)字)電路測(cè)試仿真，并且可通過仿真形成產(chǎn)品，這樣在電子電路的設(shè)計(jì)過程，縮短開發(fā)設(shè)計(jì)周期，可降低開發(fā)成本。

圖2　洗手器聲光報(bào)警電路圖

針對(duì)上述洗手器的改進(jìn)電路的設(shè)計(jì)，比喻應(yīng)用Proteus 8.0軟件將改進(jìn)電路并入原有電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。如圖2所示，根據(jù)原有電路端子的電壓測(cè)量，輸入端+5 V接入+5 V直流電源，INPUT接入19 V直流電源，PUMF-接入0 V，PUMF+接入9.5 V直流電源，并接入示波器，提供所需電壓以進(jìn)行仿真[11]。

當(dāng)液位開關(guān)處于閉合狀態(tài)，表明凈水桶水量充足，U2∶A、U2∶B輸入端處于低電平，非門輸出端變?yōu)楦唠娖剑琇ED燈不發(fā)光，與非門U1∶A輸出低電平，故D2處于截止?fàn)顟B(tài)，音頻振蕩器不起振，揚(yáng)聲器LS1不發(fā)出報(bào)警聲，示波器C輸入端檢測(cè)為0 V(粉色線條)。同時(shí)使三極管VT2處于截止?fàn)顟B(tài)，繼電器J5線圈無法形成回路電流，J5不工作，示波器B輸入端檢測(cè)為0 V(藍(lán)色線條)，從而使水泵工作回路完整，水泵工作，開始注水，此仿真聲、光均不報(bào)警，裝備無需補(bǔ)水。當(dāng)液位開關(guān)處于斷開狀態(tài)，表明凈水桶缺水，U2∶A、U2∶B輸入端處于高電平，非門輸出端變?yōu)榈碗娖?，使得LED燈導(dǎo)通亮起，與非門U1∶A輸出高電平，音頻振蕩器起振工作，其輸出的音頻信號(hào)經(jīng)過Q2放大后，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器LS1發(fā)出報(bào)警聲，示波器C引腳電壓有跳變(粉色線條)。同時(shí)使三極管VT2處于導(dǎo)通狀態(tài)，繼電器J5線圈形成回路電流，J5工作，從而斷開水泵工作回路，引起示波器B引腳有跳變電壓(藍(lán)色線條)，停止注水。聲、光報(bào)警提示工作人員裝備現(xiàn)處于缺水狀態(tài)，需及時(shí)補(bǔ)水(如圖3所示)。

圖3　仿真電路示波器波形圖

4　野戰(zhàn)洗手器應(yīng)用效果

新型野戰(zhàn)洗手器在普通的洗手器基礎(chǔ)上增加了水位監(jiān)測(cè)模塊和斷路保護(hù)系統(tǒng)，該模塊在實(shí)際應(yīng)用中效果顯著，能夠有效的監(jiān)測(cè)凈水桶內(nèi)的水量情況，當(dāng)洗手器在缺水狀態(tài)時(shí)，水泵停止工作，設(shè)備蜂鳴器報(bào)警，提示使用操作人員及時(shí)補(bǔ)充水源，有效解決了設(shè)備因缺水而引發(fā)的不必要的故障。改進(jìn)后在部隊(duì)?wèi)?yīng)用廣泛，取得了較好的效果。

5　結(jié)語

針對(duì)水泵故障率頻發(fā)的情況，本研究對(duì)傳統(tǒng)的野戰(zhàn)洗手器的使用和安全作了改進(jìn)，在系統(tǒng)中增加了液位監(jiān)測(cè)模塊，并進(jìn)行了完整仿真實(shí)驗(yàn)。裝置具有了雙重的斷路保護(hù)電路，避免了由于電路故障或人為處理不及時(shí)而造成水泵在缺水狀態(tài)下經(jīng)常性、長(zhǎng)時(shí)間空轉(zhuǎn)而干燒損壞，提高了水泵的使用壽命，從而保證了此類洗手器能更好的發(fā)揮其作用[12]。此改進(jìn)方式具有經(jīng)費(fèi)使用低、操作便利、安全可靠、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，可廣泛使用，并保證裝備在戰(zhàn)時(shí)或非戰(zhàn)時(shí)有效的發(fā)揮其作用。

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