醫院專用刷卡與投幣式微波爐設計原理及應用

朱興喜 徐 敏 趙 琨 王星星 湯黎明 于春華*

醫院專用刷卡與投幣式微波爐設計原理及應用

朱興喜① 徐 敏② 趙 琨③ 王星星① 湯黎明① 于春華①*

目的：介紹醫院專用刷卡或投幣微波爐電子線路的設計原理，了解和掌握其工作原理及使用方法。方法：采用現有的微波爐進行電路改造，再與刷卡器和投幣器相結合，使用單片機對其進行控制，實現微波爐的刷卡與投幣功能。結果：刷卡與投幣式微波爐能夠根據預定的模式實現IC卡刷卡或投幣使用，在其實際使用中能夠做到可控制、可管理。結論：醫院對于微波爐的制度化、智能化管理，可促進其延長使用壽命，改進后的刷卡與投幣式微波爐值得在各級醫院推廣使用。

刷卡器；投幣器；微波爐；原理

[First-author’s address] Department of Medical Engineering, Nanjing General Hospital of Nanjing Command, Nanjing 210002, China.

在醫院住院場所，通常準備了可供患者或家屬使用的微波爐，做到人性化管理。目前，醫院免費使用的微波爐使用率較高，其損壞率也非常高，除患者或家屬使用不當外還缺乏節儉的意識，醫院對微波爐的維修投入了大量人力和財力，造成很大浪費。為此，醫院專用刷卡與投幣式微波爐的應用，既給使用者帶來了方便，又規范了公共設施的管理，受到廣大患者、家屬和醫護人員的一致認可和好評。

1 醫院專用刷卡與投幣式微波爐結構

醫院專用刷卡與投幣式微波爐，由刷卡與投幣控制器和微波爐兩部分構成。當用戶在刷卡或投入硬幣后控制器會給微波爐供電，同時顯示剩余倒計時時間；微波爐的加熱方式與家用微波爐相同。

2 微波爐的結構改裝及電路原理

常用的家用微波爐是獨立工作的加熱裝置，其主要由爐腔體、微波管、門控制、定時器、火力控制器和振蕩直流電路等組成。微波爐工作原理是在微波爐里面安裝有一個微波發生器，該器件由一種電子真空管—磁控管產生2450 MHz的超短波電磁波，通過微波傳導元件—波導管發射到爐內各處。電磁波是變化的磁場和變化的電場交替變換而產生，其頻率非常高。在高頻率交替變化的電磁場作用下食物分子中的正負帶電微細粒子隨電磁場的變化而不斷運動，稱為極化。在反復極化的作用下分子間相互碰撞、磨擦而產生熱能，使食物被加熱。在微波爐內食物均從其內部開始加熟，其有效穿透深度約為12 cm，而金屬外殼能有效屏蔽電磁波。微波爐的頻率是2450 MHz，電場方向每秒鐘變化24.5億次，其生成的熱量之大是其他爐灶的4～10倍，熱效率高達80%以上。

改裝后微波爐的電路原理圖如圖1所示。

圖1 改裝后微波爐電原理圖

圖1 中F1是保險絲，常用規格為10 A，限制整機電流和短路電流。ST是熱保護器，當溫度下降到下限溫度后可自動恢復接通，并安裝在磁控管外殼上面，監控磁控管工作溫度，防止長期工作溫度過高損壞磁控管。S1、S2是門鎖監控開關，防止微波爐泄漏。當爐門關閉不嚴、有異物卡住時微波爐則不工作。S3是連鎖監控開關，當S1、S2損壞且短接時則S3接通，燒斷保險，防止微波爐未關閉爐門工作。S4為定時器開關，是微波爐工作的總電源開關，當旋轉定時器定時后其爐燈必須亮，同時微波爐開始工作。M1、S4、S5組成功率控制總成，S4、S5是功率控制器內部兩個獨立開關，在功率控制時串聯工作。M1是火力調節電機，通過凸輪控制S4、S5的通斷，在S4接通時通過S5的通電時間來控制微波管工作間隔時間。M2是轉盤電機，在關閉爐門后轉動加熱盤，使加熱食品均勻。M3是風扇電機，為磁控管和變壓器散熱。高壓變壓器T的初級為L1，次級為L2、L3，組成了大功率升壓變壓器。L1初級接入220 V交流電；L2次級輸出2000 V左右交流高壓，其一端接變壓器鐵芯，也就是外殼，另一端單獨接高壓電容。L3一組次級輸出4 V左右的交流電壓，給磁控管陰極燈絲供電。高壓電容器C(規格為1μF/2100 V交流電，內部并聯了1個10 MΩ的電阻)和高壓二極管VD與L2組成高壓直流產生電路。圖1顯示，VD一端通過微波爐金屬與磁控管外殼相連，L2通過變壓器矽鋼片與外殼相連，通過變壓器、二極管和電容器將民用電壓從220 V提升到直流3000 V以上，通過導線將高壓電送往磁控管。高壓電被傳送到陰極燈絲。燈絲變熱后發射出電子，被外圍帶正電的陽極板所吸引。大磁鐵塊施加的磁場使向外流動的電子云旋轉，在旋轉的過程中電子云形成“輪輻”狀，從陽極板之間的每個空腔中穿過。移動電子云“輪輻”將負電荷傳遞給空腔，循環往復。負電荷的反復增減在空腔內產生出2.45 kMHz的振蕩電磁場。磁控管上的天線以這一頻率發生諧振，經由波導管進入爐腔。

線路改裝內容為：①在保險絲F1后增加總控制開關S；②將定時器開關S4和功率控制開關S5短接，其他無需改動。總控制開關S在投幣與刷卡控制器內，其工作原理與改裝前相同。

2.1 投幣器結構和原理

投幣器是一種通過檢測硬幣中含鐵量的大小區分真假幣的電子測量儀器，具有結構簡單、成本低、安全性高和抗干擾等特點。主要由4個功能模塊組成，其外觀如圖2所示。

圖2 投幣器外觀示意圖

(1)產生高頻方波的振蕩電路。該模塊是由振蕩電路和高頻耦合電路組成，當無鐵質品進入投幣盒時高頻方波振蕩電路輸出穩定的頻率信號；當有鐵質品進入投幣盒時磁介質的變化引起高頻線圈電感值發生變化，使振蕩電路輸出的信號頻率隨之變化。通過檢測變化值可分辨錢幣的進入、真偽及面值。

(2)用于控制真、假幣流向的電磁閘門。電磁閘門是直流電磁閥控制的閘門，當檢測投幣為真則打開閘門，讓真幣通過；如果為假幣則從退幣口退出。

(3)檢測硬幣投入過程中的光電傳感器。光電傳感器由若干個光敏二極管組成，用于檢測硬幣是否按設定的流程投入，同時檢測投幣器有無堵幣、損壞和其他物品堵塞現象。

(4)檢測與控制系統集中控制單元。控制和檢測投幣器并輸出控制信號，通過檢測光敏二極管的信號判斷硬幣投入與否，檢測高頻振蕩電路輸出的高頻信號判斷硬幣的真偽和面值，控制電磁閘門的開關使真幣通過，假幣退出。

2.2 刷卡電路與微處理電路的原理

刷卡電路由非接觸式IC卡(射頻卡)和讀卡處理器組成。IC卡將具有存貯、運算等功能的集成電路芯片壓制在塑料片上，使其成為能存貯、轉載、傳遞和處理數據的載體。芯片電源接口連接著線圈和電容，也嵌入在塑料中，形成了一張無源的無線智能卡。智能卡無需電池，當其靠近讀寫裝置的天線時讀卡機采用發射交變磁場的形式向IC卡提供能量，IC卡上的感應線圈接收交變磁場能量，卡片內有LC串聯諧振電路，其頻率與讀寫器發射的頻率相同。在電磁波激勵下LC諧振電路產生共振，從而使電容內產生電荷。在電荷的另端，接有單向導通的電子泵，將電容內的電荷送到另一電容內存儲，當所積累的電荷達到2 V時，此電容可作為電源為芯片電路提供工作電壓，將卡內數據發射出去或接受讀寫器的數據。

讀卡處理器由天線與耦合電路、微控制處理器、讀寫專用電路和外圍電路組成。天線與耦合電路將以一定頻率的電磁波發射，在讀寫卡區域產生滿足耦合功率的磁通量，既為IC卡提供電源又與IC卡傳輸信息。讀卡器的射頻芯片為MFRC500，適用于各種基于ISO/IEC14443A標準，且適應低成本、小尺寸、高性能以及單電源的非接觸式通信的應用場合。微控制處理選用的通常是STC89C52RC單片機或AT89C52/51單片機。單片機對非接觸式IC卡的控制是以單片機發出指令通過MFRC500實現，但非簡單的指令所能完成，必須通過程序在MFRC500收到指令后執行其指令來完成讀寫等。

微處理電路與讀卡芯片、投幣器電路、按鍵輸入電路和顯示電路相連。該電路的PCB板設計如圖3所示。

顯示電路主要元器件為TM1620，是LED驅動控制專用電路，實現8段6位顯示模式，可以顯示時間和錯誤代碼。當IC卡進行刷卡時自動判斷和讀出卡信息并保存在RAM中，同時控制繼電器工作，為微波爐供電和顯示電路4 min倒計時。在程序中對同一張IC卡進行刷卡控制，每日24 h內只允許同一張卡刷卡3次，刷卡間隔＞1 h，零點自動復位。控制持卡人不可一次性刷卡3次，管理和控制長時間占用微波爐，影響他人的正常使用。當投幣器判斷有真幣信號時會向微處理器產生中斷信號和0.5元、1元的信號，微處理器進行處理后在顯示電路中顯示2 min和4 min的倒計時，同時控制繼電器工作，為微波爐供電。

3 醫院專用刷卡與投幣式微波爐的應用

在微波爐右側有投幣、刷卡和數碼顯示窗口，其性能特點為：①設計者可以根據需要設定與單位幣值相對應的通電時間(1～99 min可調)；②不改變原微波功能，且使用時的功率為最大；③能夠自動識幣，可防偽幣、防釣幣和防電擊；④雙鎖設計，防撬、防盜，錢箱可容納硬幣350枚左右；⑤微波爐和控制器合為一體，使用方便。

醫院為每位住院患者發一張微波爐IC卡(需交押金)，規定每日3次免費刷卡，每次刷卡使用4 min，如超過次數則需投幣方可使用。在成本合算后以最大功率700 W計算，每臺微波爐每月收益為：0.95(元)×10(次)×30(日)＝285元。通過半年試用初見成效，成本基本收回。

微波爐在使用中應注意：①不能夠安裝在離水源近的位置；②須安裝在牢固、不易震動、不易燃材料的臺面上，以免導致火災或人身傷害事故；③不應堵塞微波爐進出風口；④發生故障應立即切斷電源，停止使用并及時維修；⑤禁止用香蕉水、酒精等腐蝕性液體擦洗外殼，如有污染可在斷電的情況下用濕毛巾沾肥皂水清洗；⑥非專業維修人員切勿自行拆修。

4 結語

醫院專用刷卡與投幣式微波爐作為一種智能型微波爐適宜在醫院臨床科室使用，在其使用中既方便管理又可減少投入，可提高醫院的社會效益和經濟效益。

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The working principle and application of the hospital dedicated credit card or coin-operated microwave

/ZHU Xing-xi, XU Min, ZHAO Kun, et al// China Medical Equipment,2014,11(2):55-57.

Objective: Through understanding of the electronic circuit design principles to understand the working principle and application of the hospital dedicated credit card or coinoperated microwave. Methods: Combine with a credit card or coin box to remake the circuit of microwave, and use single-chip to control and use microwave. Results: According to a predetermined pattern use IC card or coin to use and control microwave oven. Conclusion: Institutionalize and institutionalize the use of the microwave can extend its life. It can provide a reference for other hospital choosing microwave.

Credit card; Coin box; Microwave; Working principle

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.02.020

1672-8270(2014)02-0055-03

R197.39

A

2013-07-15

①南京軍區南京總醫院醫學工程科 江蘇 南京 210002

②南京軍區南京總醫院兒科 江蘇 南京 210002

③南京軍區南京總醫院干部內分泌科 江蘇 南京 210002

*通訊作者：274933102@qq.com

朱興喜,男,(1963- ),碩士，高級工程師、教授。南京軍區南京總醫院醫學工程科，中國醫學裝備協會理事會理事，從事醫院醫療設備的管理、技術保障、質量控制、教學和科研工作，研究方向：臨床醫學工程。