基于AT89C51單片機的彩色超聲診斷儀延時散熱系統的研制

陳浩，黃向東，周春生，嚴潭

1.中國人民解放軍第一七五醫院 器材科，福建 漳州 363000；2.成都凌宇科技發展有限責任公司，四川 成都610016

彩色超聲診斷儀（彩超）在醫療上有廣泛的應用，使用率很高[1]。我院2008年啟用的一臺進口彩超，出現幾次關機后，重新開機無法啟動的故障，要重復幾次才能啟動，或是正常工作時突然發生死機現象[2]，要重啟才能繼續使用。我們懷疑是正常工作時設備內部溫度過高而引起死機，所以在機箱內安裝了溫度檢測儀，實時監測工作時設備內部溫度，卻偶然發現了設備本身的弊端。通過溫度檢測儀記錄的實時溫度，在設備正常運行時，由于散熱系統，也就是散熱風扇一直在工作，設備內部溫度在37℃左右波動；而當設備關機時，散熱風扇也跟著停止工作，但設備的余熱卻會慢慢升高，記錄下來的溫度達到45℃后才慢慢降下來。由于彩超系統散熱的不足，長期如此可加速設備內部元器件的老化，而之前出現的故障也懷疑是此原因引起的[3]。為此，研制彩超延時散熱系統，以保證設備關機后散熱系統還能繼續運行，使設備關機后溫度也不會升高。這對延長設備的使用壽命，降低故障率有重要的意義。

1 設計思想

首先，考慮到設備內部的精密性，設計應盡量避免去改變或者影響其內部各個模塊的正常運轉。通過多方面采集和測量，決定在開關機時，利用設備內部有無供給散熱風扇12 V穩定直流電源為觸發信號，并將延時系統直接加在散熱風扇之間，由外接電源給延時系統供電。這樣，既不會影響設備正常工作，又能使延時散熱的效果得以實現。

基于AT89C51[4]單片機的延時散熱系統，采用PC817光耦接收電信號，使設備在關機后，散熱系統繼續延時工作一段時間，當溫度逐漸降下來后停止工作；同時以DS18B20溫度傳感器檢測實時溫度，并在液晶屏上顯示。

2 系統結構

系統主要由單片機、PC817光耦及信號處理模塊（穩壓模塊和繼電器模塊）、按鍵模塊、顯示模塊、溫度采集模塊與聲音報警模塊組成[5]。

PC817光耦用于檢測散熱風扇兩端有無電輸入，一有電信號則經信號處理模塊觸發單片機輸出，并控制繼電器模塊；按鍵模塊用于復位信號和調試；溫度模塊用于監測設備內實時溫度，并在顯示模塊中顯示；聲音報警模塊用于溫度過高報警；通信模塊用于調試和導入代碼，也可以與外部系統通信。系統原理框圖，見圖1。

圖1 系統原理框圖

3 軟件設計

本系統軟件采用C51匯編語言設計，整個軟件實現模塊化，主要包括以下子程序：初始化子程序、按鍵掃描子程序、延時子程序、聲音提示及報警子程序和液晶顯示子程序。系統軟件流程，見圖2。

首先，設備對單片機的I/O口進行硬件初始化，以防止單片機的默認電平對外部電路的干擾。初始化結束后進入掃描狀態，對DS18B20溫度采集的I/O口和I/O口P1.1進行掃描：當DS18B20溫度采集的數據有變化時，則進入LCD1602顯示程序；當掃描到的溫度值＞45℃，則進入蜂鳴器蜂鳴報警；當I/O口P1.1為1時，單片機開始工作，繼電器吸合；當I/O口P1.1為0時，則進入延時子函數和打開繼電器子程序，延時結束，繼電器斷開。

系統部分溫度程序代碼：

temp=DS18B20_ReadTemperature();//采溫度值;

Tvalue_Done(temp);//溫度值處理;

ShowString(0,0,"Temp:");//溫度值顯示

ShowChar(5,0,didate[5]);//顯示十位

ShowChar(6,0,didate[4]);//顯示個位

ShowString(7,0,".");//顯示小數點

ShowChar(8,0,didate[3]);//顯示小數點后1位

ShowChar(9,0,didate[2]);//顯示小數點后2位

ShowChar(10,0,0xdf);//顯示攝氏度符號

ShowString(11,0,"C ");

……

4 硬件設計

4.1 PC817光耦及信號處理模塊

系統外接一個12 V直流電源，接在穩壓模塊的J10接口上。穩壓模塊由二極管、1 kΩ電阻、2個電容和三端穩壓集成電路LM7805組成（圖3）。外接12V直流電源經LM7805轉換成5 V電壓連接到單片機進電端VCC口，使單片機正常工作。光耦模塊是由PC817光耦和2 kΩ限流電阻組成（圖4）。PC817光耦前端接設備自身供給散熱風扇的電源兩腳（12V）；后端一腳接單片機P1.1口，另一端接地。繼電器模塊由一個續流二極管、一個PNP三極管9012和繼電器組成（圖5）。該電路連接到單片機的P2.1口，而設備本身的散熱風扇一腳接在繼電器的常開腳，另外一腳接外接電源的負極。

工作原理：外接直流12 V電源一直給單片機供電。當設備開機時，散熱系統開始運行，12 V直流降壓后通過PC817光耦前端，觸發后端兩腳導通，則單片機的P1.1口接收到高電平，通過單片機控制給P2.1口的信號，則三級管導通，繼電器得電，常開腳吸合，使風扇得到12 V外接電而開始工作；當關機時，PC817光耦前端失電，后端斷開，則單片機P1.1腳得到低電平，延時程序開始運行。延時結束后，則三級管斷開，繼電器失電斷開，繼而散熱風扇也停止轉動。

4.2 溫度采集模塊

溫度采集模塊由DS18B20溫度傳感器和47 kΩ電阻組成。該電路連接到單片機的P3.5口（圖6）。從傳感器采集的數據經P3.5口經入單片機，再傳到液晶屏進行顯示。但當溫度＞45℃時，觸發單片機使P2.0口檢測到低電平。

圖6 溫度采集模塊

4.3 聲音報警模塊

聲音報警模塊由直流蜂鳴器、穩壓電容（1μF）、470Ω限流電阻和1個PNP三極管9012組成[6]。該電路連接到單片機的P2.0口（圖7）。當單片機檢測到溫度傳感器DS18B20的溫度＞45℃時，即從P2.0口檢測到低電平，則三極管導通，蜂鳴器開始發出聲音。此時，使用人員就要及時檢查設備的散熱系統是否停止工作。

圖7 聲音報警模塊

4.4 其他模塊

按鍵模塊主要包括系統復位鍵和運行/暫停鍵。運行/暫停鍵用于完成對系統的調試。

顯示模塊用于顯示溫度模塊所采集到的設備內部的實時溫度。

通信接口模塊用于與電腦通信，可對單片機程序進行導入，并在調試時隨時擦除和重新導入，還能記錄下一段時間內的運行情況。

5 系統調試

組裝完成后對系統性能進行測試。組裝后的延時系統實物圖，見圖8。

測試主要是對延時時間的確定和各個模塊工作性能的檢測。測試中聲音報警功能和溫度顯示功能都能實現。在確定延時時間時，由于考慮到系統的長久使用、電能的最省化以及有無達到延時散熱目的，通過調整延時時間，并結合溫度測試儀進行試驗，見表1。可見，在延時45min時，即設備從關機后繼續散熱45min，溫度剛好開始下降，之后讓設備自然冷卻即可。

圖8 延時散熱系統硬件實物圖

表1 在不同延時時間下設備內溫度變化情況（℃）

6 結束語

不僅僅是彩超，醫療設備中大部分的散熱系統都是隨著設備的運行而運行，關機則斷開，這種情況不利于這些高發熱設備長久使用、甚至加速老化。基于AT89C51單片機的延時散熱系統，具有延時散熱、溫度實時監測、顯示、報警等功能。開發成本低廉、完全智能化無需操作，未來可以廣泛應用于各類高發熱醫療設備中。

[1]李朝偉,王振洲,姜樹勛.飛利浦IU22彩超故障維修兩例[J].中國醫學裝備,2011,8(6):63-64.

[2]郭愛群.關于儀器死機問題的探討[J].醫療設備信息,2006,21(1):37,58.

[3]王曉明,邢兆剛,高偉娟,等.飛利浦IU22超聲診斷儀圖像故障與散熱故障檢修[J].醫療設備信息,2006,21(9):114.

[4]張志良.單片機原理與控制技術[M].2版.北京:機械工業出版社,2007.

[5]石曦,楊宇航,陳偉寧.基于AT89C51單片機的光電尿量監測系統的設計[J].中國醫療設備,2012,27(1):25-27.

[6]徐瑋.51單片機綜合學習系統-蜂鳴器、繼電器篇[J].電子制作,2007,(12):62-63..

[7]張榮和.飛利浦IU22超聲診斷儀無法進入系統故障的解決[J].臨床醫學工程,2010,(7):141-142.

[8]陳基明,季家紅,李國棟.超聲診斷儀的基本原理及新技術的應用[J].醫療設備信息,2006,(12):28-30.

[9]程偉,何賢國,郭屹.西門子彩超典型分析[J].中國醫學裝備,2009,6(5):66.

[10]張宇,付恩喜.Aucson 128XP彩超特殊故障1例[J].中國醫學裝備,2009,6(8):49.