基于C8051F330单片机的医院病房二氧化碳监控终端设计

郭钰坚 山西省医疗器械检测中心 (太原 030012)

GUO Yu-jian Shanxi Center for Medical Devices Testing (Taiyuan 030012)

基于C8051F330单片机的医院病房二氧化碳监控终端设计

郭钰坚 山西省医疗器械检测中心 (太原 030012)

本文设计了基于C8051F330单片机的医院病房二氧化碳监控终端。文中分析了医院病房空气质量对病人的影响，介绍了监控系统与监控终端原理框图，详细设计了监测终端硬件电路，分析了软件任务，给出了监控终端程序框架。该监控终端采用C8051F330单片机，具有价格低、功能强、电路与软件设计简单的特点。

C8051F330单片机 二氧化碳 监控终端 传感器

C8051F330 MCU-based Carbon Dioxide Monitoring in Hosp ital Wards Term inal Design

0 引言

空气是人类赖以生存的最基本条件，但是人们常忽略所呼吸空气的质量，绝大多数人85%~90%的时间在室内度过，这使得他们很容易遭受有这些空气污染引起的疾病。特别是医院病房，由于医院病房有限，每间病房住4个、甚至6个以上的病人，由于排出二氧化碳气体太多、导致空气质量不好，特别是冬季，不开窗户，空气质量更加糟糕。特别是对于心、肺、脑等疾病患者，病房内空气质量更显重要。

二氧化碳对人体具有相当的危害，室内空气二氧化碳浓度在0.07%(1400mg/m3)时，人体感觉良好。0.1%(2000 mg/m3)时，个别人有不舒服感；0.15%(3000 m g/m3)时，不舒服感明显；0.2%(4000 mg/m3)时，室内空气状况明显恶化；0.3%(6000 mg/m3)以上时，人们出现明显头痛、头晕、心烦意乱等症状；浓度达到8%(160000mg/m3)以上可引起死亡。

室内CO2主要来自人体呼出气。室内CO2水平受人均占有面积、吸烟等因素影响。在我国北方，冬天关闭窗户，加上通风不足，室内二氧化碳浓度可达2.0%(4000mg/m3)以上。

我国公共场所卫生标准规定二氧化碳浓度不超过0.07%-0.15% (以场所而定)。室内空气中CO2卫生标准规定日平均最高允许浓度为0.10%(2000 mg/m3)(GB/ T17094-1997)。

为满足病房内空气质量的要求，本文设计了一个廉价的医院病房二氧化碳监控终端，使更多的医院病房空气质量得到保证，使病人有一个治疗、康复的环境。

1 低成本医院病房二氧化碳监测系统组成

(1)系统组成

本文设计的低成本医院病房二氧化碳监测系统组成如图1所示。

由图1可知，该系统由上位PC、RS232/485电路、监测/控制终端组成。其中上位PC机放在护士值班室，运行监测软件，显示各个病房的二氧化碳浓度；RS232/485电路用于实现PC机与监测/控制终端之间的通信，将PC机输出的RS232信号电平转换成RS485信号电平；监测/控制终端用于检测各个病房内的二氧化碳浓度，将二氧化碳浓度显示在数码管上，并根据设定的浓度控制排风风扇或电动窗使病房内的二氧化碳浓度保持在许可的范围内。在没有上位PC机情况下，终端可以独立控制病房二氧化碳的浓度。本文主要设计该监控系统中的监控终端。

图1 二氧化碳监测系统组成图

(2)监测/控制终端

本文设计的低成本医院病房二氧化碳监测/控制终端原理框图如图1所示。

由图2可知，二氧化碳监测/控制终端由二氧化碳传感器、按键、数码管与LED显示、风扇控制电路、控制信号输出电路、RS485电路与电源电路组成。

二氧化碳传感器采用市场上销售的红外CO2模块6004，该模块主要参数为：测量范围0~2000ppm，供电电压5V，输出电压0~4V，温度范围：0~50℃。

图2 二氧化碳监测/控制终端原理框图

单片机采用Silicon Laboratories公司的增强型51内核SoC单片机C8051F330，该单片机具有25MHz的时钟频率，8通道ADC、电流输出DAC、串行通信口等资源。

数码管与LED灯显示部分用于显示二氧化碳浓度与工作状态。风扇控制电路用于控制排风扇强制通风，使新鲜空气进入病房，降低二氧化碳浓度。窗户控制电路用于控制窗户开度，调节病房二氧化碳浓度。RS485电路用于与上位PC机通信。电源部分入线电源为AC220V，输出直流5V与3.3V。

2 监控终端硬件设计

(1)单片机电路设计

单片机电路如图3所示。

图3 单片机电路

单片机电路由C8051F330单片机与C2下载接口组成，该单片机只有20引脚，因此价格低廉，通过C2接口可以实现在系统编程与调试。为节省引脚，使用芯片内部的24.5MHz振荡器作为时钟源，单片机采用+3.3V电源。

(2)按键与二氧化碳传感器电路

按键与二氧化碳电路如图4所示。

图4 按键与二氧化碳传感器电路图

由于单片机内部具有上拉电阻，因此按键电路中省略了上拉电阻，输出低电平有效。

二氧化碳传感器6004与单片机的P1.0引脚连接，P1.0用选择器设置为ADC输入正端。ADC输入负端连接GND。

(3)数码管与LED灯显示电路

数码管与LED灯显示电路如图5所示。该电路由串转并移位寄存器74HC595、4位数码管和4个LED灯组成。一块HC595输出段码，另一块HC595输出4位位选与4位LED灯驱动。

4位数码管显示CO2浓度(ppm值)、设置浓度值以及一些控制参数。4位LED灯显示工作状态：正常工作状态、设置参数状态、控制输出状态、超限状态。

74HC595的三根信号线与单片机的P1.5~P1.7引脚连接，采用模拟SPI接口信号互相通信。

图5 数码管与LED灯显示电路

(4)风扇控制电路

风扇控制电路如图6所示。

图6 风扇控制电路

该电路采用双向晶闸管作为交流开关驱动交流电机，并采用光隔离晶闸管驱动器MOC3063实现交流220V与单片机引脚之间电气隔离。与继电器相比，该电路没有触点，使用寿命更长。

(5)电动窗控制信号输出电路

为适合不同的电动窗控制，本装置设计了4~20m A电流输出电路，该电路接收单片机IDAC输出的2m A信号，输出控制开窗的电流信号，控制电动窗机构开窗，用于调节病房CO2的浓度。控制信号输出电路如图7所示。图中P0_1为单片机IDAC输出引脚。

(6) RS485通信接口电路

RS485通信电路用于监控终端与上位PC机之间实现半双工通信，向上位PC机发送CO2浓度数据，与上位PC机组成监控系统。该接口电路如图8所示。

图8 RS485通信接口电路

(7)电源电路

电源电路如图9所示。

图9 电源电路图

开关电源将AC220V转换成12V，通过JDY12接口输入电源电路，经过三端稳压器7805输出+5V直流，再经过低压差三端稳压器AS2810输出3.3V，图中0欧姆电阻用于隔离模拟信号与数字信号，避免模拟信号受到干扰。

3 软件任务的实现

该监控终端的软件任务为：

(1)单片机时钟、引脚、ADC、IDAC等初始化

(2) ADC转换

(3) IDAC输出

(4)按键扫描

(5)数码管与LED灯输出

(6) FLASH任务

(7)风扇控制算法与开窗控制算法

该软件的程序框架如下：

定义数码管译码数组；

定义数码管位选数组；

4 结论

本文设计的医院病房二氧化碳监控终端采用C8051F330单片机，具有二氧化碳监测与控制能力。该终端可以与上位PC组成监控系统实现多个病房的二氧化碳监测；在没有上位PC情况下，该终端可以独立工作，控制风扇或室电动窗调节病房二氧化碳浓度；在没有风扇与电动窗的情况下，该终端用数码管显示二氧化碳浓度值，这时可用人工开窗通风的方式降低二氧化碳浓度。

[1] 黄华，牛智有. 基于PIC18F2580的畜禽舍有害气体环境控制系统[J].测控技术，2009，4(28)：49-52

[2] 潘琢金译. C8051F330/1混合信号ISP FLASH微控制器数据手册[M]，新华龙电子有限公司，2003，12

[3] Silicon Laboratories：C8051F330/1 8k ISP FLASH MCU Family 2003 ■

GUO Yu-jian Shanxi Center for Medical Devices Testing (Taiyuan 030012)

1006-6586(2010)07-0013-05

R197.39

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2010-04-06

郭钰坚，助理工程师，山西医疗器械检测中心