基于AT89C51单片机的彩色超声诊断仪延时散热系统的研制

陈浩，黄向东，周春生，严潭

1.中国人民解放军第一七五医院 器材科，福建 漳州 363000；2.成都凌宇科技发展有限责任公司，四川 成都610016

彩色超声诊断仪（彩超）在医疗上有广泛的应用，使用率很高[1]。我院2008年启用的一台进口彩超，出现几次关机后，重新开机无法启动的故障，要重复几次才能启动，或是正常工作时突然发生死机现象[2]，要重启才能继续使用。我们怀疑是正常工作时设备内部温度过高而引起死机，所以在机箱内安装了温度检测仪，实时监测工作时设备内部温度，却偶然发现了设备本身的弊端。通过温度检测仪记录的实时温度，在设备正常运行时，由于散热系统，也就是散热风扇一直在工作，设备内部温度在37℃左右波动；而当设备关机时，散热风扇也跟着停止工作，但设备的余热却会慢慢升高，记录下来的温度达到45℃后才慢慢降下来。由于彩超系统散热的不足，长期如此可加速设备内部元器件的老化，而之前出现的故障也怀疑是此原因引起的[3]。为此，研制彩超延时散热系统，以保证设备关机后散热系统还能继续运行，使设备关机后温度也不会升高。这对延长设备的使用寿命，降低故障率有重要的意义。

1 设计思想

首先，考虑到设备内部的精密性，设计应尽量避免去改变或者影响其内部各个模块的正常运转。通过多方面采集和测量，决定在开关机时，利用设备内部有无供给散热风扇12 V稳定直流电源为触发信号，并将延时系统直接加在散热风扇之间，由外接电源给延时系统供电。这样，既不会影响设备正常工作，又能使延时散热的效果得以实现。

基于AT89C51[4]单片机的延时散热系统，采用PC817光耦接收电信号，使设备在关机后，散热系统继续延时工作一段时间，当温度逐渐降下来后停止工作；同时以DS18B20温度传感器检测实时温度，并在液晶屏上显示。

2 系统结构

系统主要由单片机、PC817光耦及信号处理模块（稳压模块和继电器模块）、按键模块、显示模块、温度采集模块与声音报警模块组成[5]。

PC817光耦用于检测散热风扇两端有无电输入，一有电信号则经信号处理模块触发单片机输出，并控制继电器模块；按键模块用于复位信号和调试；温度模块用于监测设备内实时温度，并在显示模块中显示；声音报警模块用于温度过高报警；通信模块用于调试和导入代码，也可以与外部系统通信。系统原理框图，见图1。

图1 系统原理框图

3 软件设计

本系统软件采用C51汇编语言设计，整个软件实现模块化，主要包括以下子程序：初始化子程序、按键扫描子程序、延时子程序、声音提示及报警子程序和液晶显示子程序。系统软件流程，见图2。

首先，设备对单片机的I/O口进行硬件初始化，以防止单片机的默认电平对外部电路的干扰。初始化结束后进入扫描状态，对DS18B20温度采集的I/O口和I/O口P1.1进行扫描：当DS18B20温度采集的数据有变化时，则进入LCD1602显示程序；当扫描到的温度值＞45℃，则进入蜂鸣器蜂鸣报警；当I/O口P1.1为1时，单片机开始工作，继电器吸合；当I/O口P1.1为0时，则进入延时子函数和打开继电器子程序，延时结束，继电器断开。

系统部分温度程序代码：

temp=DS18B20_ReadTemperature();//采温度值;

Tvalue_Done(temp);//温度值处理;

ShowString(0,0,"Temp:");//温度值显示

ShowChar(5,0,didate[5]);//显示十位

ShowChar(6,0,didate[4]);//显示个位

ShowString(7,0,".");//显示小数点

ShowChar(8,0,didate[3]);//显示小数点后1位

ShowChar(9,0,didate[2]);//显示小数点后2位

ShowChar(10,0,0xdf);//显示摄氏度符号

ShowString(11,0,"C ");

……

4 硬件设计

4.1 PC817光耦及信号处理模块

系统外接一个12 V直流电源，接在稳压模块的J10接口上。稳压模块由二极管、1 kΩ电阻、2个电容和三端稳压集成电路LM7805组成（图3）。外接12V直流电源经LM7805转换成5 V电压连接到单片机进电端VCC口，使单片机正常工作。光耦模块是由PC817光耦和2 kΩ限流电阻组成（图4）。PC817光耦前端接设备自身供给散热风扇的电源两脚（12V）；后端一脚接单片机P1.1口，另一端接地。继电器模块由一个续流二极管、一个PNP三极管9012和继电器组成（图5）。该电路连接到单片机的P2.1口，而设备本身的散热风扇一脚接在继电器的常开脚，另外一脚接外接电源的负极。

工作原理：外接直流12 V电源一直给单片机供电。当设备开机时，散热系统开始运行，12 V直流降压后通过PC817光耦前端，触发后端两脚导通，则单片机的P1.1口接收到高电平，通过单片机控制给P2.1口的信号，则三级管导通，继电器得电，常开脚吸合，使风扇得到12 V外接电而开始工作；当关机时，PC817光耦前端失电，后端断开，则单片机P1.1脚得到低电平，延时程序开始运行。延时结束后，则三级管断开，继电器失电断开，继而散热风扇也停止转动。

4.2 温度采集模块

温度采集模块由DS18B20温度传感器和47 kΩ电阻组成。该电路连接到单片机的P3.5口（图6）。从传感器采集的数据经P3.5口经入单片机，再传到液晶屏进行显示。但当温度＞45℃时，触发单片机使P2.0口检测到低电平。

图6 温度采集模块

4.3 声音报警模块

声音报警模块由直流蜂鸣器、稳压电容（1μF）、470Ω限流电阻和1个PNP三极管9012组成[6]。该电路连接到单片机的P2.0口（图7）。当单片机检测到温度传感器DS18B20的温度＞45℃时，即从P2.0口检测到低电平，则三极管导通，蜂鸣器开始发出声音。此时，使用人员就要及时检查设备的散热系统是否停止工作。

图7 声音报警模块

4.4 其他模块

按键模块主要包括系统复位键和运行/暂停键。运行/暂停键用于完成对系统的调试。

显示模块用于显示温度模块所采集到的设备内部的实时温度。

通信接口模块用于与电脑通信，可对单片机程序进行导入，并在调试时随时擦除和重新导入，还能记录下一段时间内的运行情况。

5 系统调试

组装完成后对系统性能进行测试。组装后的延时系统实物图，见图8。

测试主要是对延时时间的确定和各个模块工作性能的检测。测试中声音报警功能和温度显示功能都能实现。在确定延时时间时，由于考虑到系统的长久使用、电能的最省化以及有无达到延时散热目的，通过调整延时时间，并结合温度测试仪进行试验，见表1。可见，在延时45min时，即设备从关机后继续散热45min，温度刚好开始下降，之后让设备自然冷却即可。

图8 延时散热系统硬件实物图

表1 在不同延时时间下设备内温度变化情况（℃）

6 结束语

不仅仅是彩超，医疗设备中大部分的散热系统都是随着设备的运行而运行，关机则断开，这种情况不利于这些高发热设备长久使用、甚至加速老化。基于AT89C51单片机的延时散热系统，具有延时散热、温度实时监测、显示、报警等功能。开发成本低廉、完全智能化无需操作，未来可以广泛应用于各类高发热医疗设备中。

[1]李朝伟,王振洲,姜树勋.飞利浦IU22彩超故障维修两例[J].中国医学装备,2011,8(6):63-64.

[2]郭爱群.关于仪器死机问题的探讨[J].医疗设备信息,2006,21(1):37,58.

[3]王晓明,邢兆刚,高伟娟,等.飞利浦IU22超声诊断仪图像故障与散热故障检修[J].医疗设备信息,2006,21(9):114.

[4]张志良.单片机原理与控制技术[M].2版.北京:机械工业出版社,2007.

[5]石曦,杨宇航,陈伟宁.基于AT89C51单片机的光电尿量监测系统的设计[J].中国医疗设备,2012,27(1):25-27.

[6]徐玮.51单片机综合学习系统-蜂鸣器、继电器篇[J].电子制作,2007,(12):62-63..

[7]张荣和.飞利浦IU22超声诊断仪无法进入系统故障的解决[J].临床医学工程,2010,(7):141-142.

[8]陈基明,季家红,李国栋.超声诊断仪的基本原理及新技术的应用[J].医疗设备信息,2006,(12):28-30.

[9]程伟,何贤国,郭屹.西门子彩超典型分析[J].中国医学装备,2009,6(5):66.

[10]张宇,付恩喜.Aucson 128XP彩超特殊故障1例[J].中国医学装备,2009,6(8):49.