医疗设备用电电网波动检测及远程自动报警系统的研究与设计

医疗设备用电电网波动检测及远程
自动报警系统的研究与设计
向逾，
种银保，袁巧洪[摘要]
目的：设计一种医疗设备所属电网波动以及自动报警监控系统，以实现医疗机构用电实时自动监控和预警提
示的智能化、安全性管理。

方法：利用互感传感器电路采集电网信号，综合采用高耐压高精度AD 转换电路、时钟电路、回显电路及GSM 短信模块电路，围绕单片机进行软件编程并开通网络信道。

结果：通过对电网信号的检测、回看和短
信报警，可以掌握最近的电网波动情况、浪涌高峰的提前预警和处置。

结论：该系统配置成本较低，集成度较高，稳定性较好，可对精密医疗设备电网环境进行监控和预警。

[关键词]医用电网；
波动；监测；报警；单片机[中国图书资料分类号]R318；TM76[文献标志码]A [文章编号]1003-8868（2015）01-0011-05DOI ：10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.01.011
Research and design of power grid fluctuation detection and remote automatic alarm system for medical equipment
XIANG Yu 1,CHONG Yin-bao 1,YUAN Qiao-hong 2
（1.Department of Equipment,Xinqiao Hospital of the Third Military Medical University,Chongqing 400037,China;2.Department of Nephrology,Xinqiao Hospital of the Third Military Medical University,Chongqing 400037,China ）Abstract Objective To design a power grid fluctuation detection and remote automatic alarm system for medical equipment in order to realize automatic alarming at real time and early warning for monitoring power consumption in medical facilities.Methods Mutual inductance tranducer circuit was used to collect the signals of power grid.SCM-based software programming was carried out to develop the network channel with DA conversion circuit with high voltage resistance and high precision,clock circuit,redisplay circuit and GSM SMS module circuit.Results Detection,redisplay and SMS warning of the grid signals might make clear the fluctuation of the power grid and contribute to the early warning and response for high power consumption.Conclusion The system behaves well in low cost,integration and stability,and can be used for the monitoring and early warning of the power grid environment of precision medical equipment.[Chinese Medical Equipment Journal ，2015，36（1）：11-14，18]Key words
medical power grid;fluctuation;monitoring;alarming;microchip
作者简介：向逾（1982—），男，工程师，主要从事生物医学信息检测与处
理，医疗器械开发、维修和检测方面的研究工作，E-mail ：xiangyu0719@ 。

作者单位：400037重庆，第三军医大学新桥医院设备科（向逾，种银保），肾内科（袁巧洪）
通讯作者：种银保，E-mail ：chongyinbao@
引言
随着医疗设备的细分和精密设计，许多高端自动化设备相继投入现代化医疗机构，从而，医疗单位也对电网质量的要求越来越高。

据统计，医疗机构一般每年要遭受10~30次与电网质量问题有关的困扰，电网波动或闪变已经成为严重影响医院正常运行的主要因素之一，少则烧掉保险，多则烧毁设备[1-2]，
甚至几秒钟就能造成很大的损失，
同时也可能对正在做检查的患者形成安全性威胁。

所以，必须对电网波动进行有效监控和预警，以便工作人员及时处置，避免人身和财产损失。

目前，市场上的电网检测设备存在一些不足，如：采用计算机作为现场工具，导致成本提高；采用低耐压纯硬件电路或低精度低运算率的控制器，无
法适应电力系统的要求等[3-4]。

针对医疗设备所开发的电网检测系统还没有相关应用产品。

电力系统的电压波动主要由具有冲击性功率的
负荷引起，如变频调速装置、炼钢电弧炉等[5]。

这些不平衡、非线性的冲击性负荷周期性或随机大幅度波动，当波动电流流过供电线路时，在其阻抗上变动的压降导致同一电网上其他用户电压也以相同的频率周期波动，这种电压有规律或者随机变化就称为电压波动[6]。

这种波动的范围很大，
最大能够达到±30%。

这样的电网波动对于医疗设备来说，容易造成影像画面不清晰、光能设备闪烁、数字电路击穿、大面积电路板烧毁等严重问题，甚至引发高能输出，将正在做治疗或检查的患者弄伤。

为此，及时跟踪电网波动，了解近期电网环境和迅速维保处置，对医疗工作的正常及安全开展有着积极的意义。

本文针对电压波动给出指定阈值，如果某段时间内波动超过阈值次数较多或者瞬间浪涌超过另一阈值，则迅速发送短信到负责人手机，满足无缝对接。

论著Thesis ·１１·
1电压波动检测的硬件设计1.1电压波动
监控电网环境，首先必须检测电网的波动电压，电压是影响设备的重要因素，因此波动电压信号的检出是关键。

通常将波动电压看作以工频电压为载波信号的电压波动分量调制的调幅波，其检测方法可用大功率载波调制与解调的方法，用与载波信号同频同相的周期信号乘以被调制信号，最后将电压波动分量与工频载波相分离，用带通滤波器得出波动分量[7]。

以前，经常采用的是感应方式测量电力参数，但只能测到电能数据。

如今，可以把电网的电流、电压等模拟信号变成数字信号，直接计算出电压、电流的有效值，继而分析出电网的功率因素、谐波分量，以及用户的负荷曲线等[8]。

电压波动实际上是一系列电压变动或偏差，其值为电压均方根值的2个极值
U max 和U min 之差ΔU ，
常以其额定电压U N 的百分数表示其相对百分值，即
d %=U max -U min U N
×100%
（1）1.2总体思路
本系统采用数字和模拟电路结合的方法，为了更好地用时序控制功能电路的工作，采用单片机作为核心控制单元，其总体设计框图如图1所示。

1.3
电压互感器电路系统中，采用高精度的CT/PT 单元作为传感器。

检测系统使用精密电压互感器（SPT204A ）和电流互感器（SCT254AK ）进行工作，同时还要保证其具有较小的相移和较高的线性度。

一般相移应小于5′，精度应小于0.1%，线性度小于0.1%。

SPT204A 是电流型电压互感器，频率响应20~50kHz ，尤其适合工频信号，输出电压0~8V ，补偿后的相移小于5′。

如图2所示，R s 为限流电阻，选取R s 使得原边电流为2mA ，则副边会感应出一个相同的电流。

通过OP27的放大作用，根据U 0=2mA ×（R 1+R 3）
，可调节反馈电阻R 3和精密微调电阻R 1来得到输出电压。

调节精密电阻R 2及电容C 3用于补偿相移。

C 1是几百至1000pF 的小电容，用于滤波。

C 2起抗干扰作用，不宜超过400pF 。

首先可确定R s =220V/2mA=110k Ω，此时初级额定电流I =220V/（110+0.11）k Ω=
1.95mA （0.11k Ω为SPT204A 的电阻），R 3为1.5k Ω、0.25W ，R 1为150Ω，C 3可选0.05μF ，R 2可取200k Ω。

1.4电流互感器电路
除监测电压外，检测电流变化也是可靠预警的组成部分。

SCT254AK 电流互感器输入额定电流为5A ，输出电流为2.5mA 。

它与电压互感器用法相似，但其原、副边电流比为2000∶1，所以，其初级（原边）无需限流电阻。

如图3所示，它需要将电流信号变换成电压信号，确定具体的元件参数如下：反馈电阻R 6=3V/2.5mA=1200Ω，另外串联一个200Ω的可调R 4进行微调，已达到所需精度要求。

由于一般的电容不能微调，需补偿电阻R 5来达到所需补偿精
度。

因为互感器上标注了未补偿前的相移值，
由此可计算出C 8和R 5的值。

如选C 8为0.022μF ，则R 5=
95×（22×R 6/F c -1）1/2。

F c 为互感器上标注的相移值，例
如C 8选0.033μF ，
F c 为15，则R 5约为131k Ω。

运放OP27在其内部反相端和同相端之间有2
个反向并联的二极管，当2个互感器输入端有高能量冲击时，二极管起到了钳位阈值的作用，可以避免受到瞬态浪涌的影响。

1.5模拟滤波器
抗混叠滤波器主要用于滤除高频成分，使输入AD 转换器的信号为有限带宽信号，并且以较小的衰减让有效的频率信号通过，而抑制了这个频带以外的信号，从而防止信号的频谱发生混叠及高频干扰[9-10]。

对于单片机
（ATMEGA64L ）自带的10位AD 半频采图3电流输入互感电路
图1系统总体设计框图
终端电网信号采集、滤波、放大
时钟电路：
计时并触发采集上升沿主控单元：
单片机处理、显示和存储信息回显电路：
根据按键指示显示所需日期电压SMS 短信平台发送
指定号码指定内容
存储单元：每隔5min 将1次AD 值存入EEPROM
显示和按键电路
图2电压输入互感电路
电压互感器
D 1
GND
-12V
3
4
R 2
CAP
OP27
C 2
C 3
-12V
R s
R 1
R 3RES1
-+输入1
2
C 1
输出
电流互感器
D 1GND
-12V
3
4R 5
CAP
OP27
C 7
C 8
-12V
R 4
R 6RES1
-+
输入12
C 9
输出
AC AC V-
V+
论
著
Thesis ·１２
·
样率，
传统的模拟滤波器可滤除高于采样率f s 一半的高频，这就要求抗混叠滤波器的带通波动小于0.15%，但模拟滤波器很难实现。

故电网监测系统一般采用模拟低通滤波器和数字式滤波器结合的形式[11]。

这种方法的优点：一是提高抗混叠效果，减少单纯模拟滤波器的非平直通带特性带来的测量误差；二是由于采用模拟数字结合式滤波，对模拟混叠滤波器的阻带衰耗指标要求不高，实现起来较为容易。

所以，设计0~2230Hz 模拟低通滤波器，其可允许2230~3780Hz 作为过渡带，而且只要保证通频带中0~920Hz 内有较好的相位和幅度特性即可满足要求。

因此，采用三阶的RC 低通抗混叠滤波器，电
路如图4所示。

根据截止频率f c =12πC 1C 2R 3R 4
姨，取截止频率为2250Hz （C 1=C 2=0.01μF ，R 3=R 4=8.8k Ω），通带增益A 0=1+R 1/R 2=1+10/10=2（R 1=R 2=10k Ω）。

1.6
时钟电路
系统每隔5min 记录一次电压值，并没有采用单片机定时器中断自动计算的方式。

因单片机除了控制传感器和AD 转换之外，还需要响应按键中断和软件编程中断，在时间计算上容易随着机器指令周期变慢，所以，使用可编程的日历时钟芯片美国DALLAS 公司的DS1302。

它操控简单，内部还有闰年补偿和RAM 存储空间，接口简单，工作电压范围宽、功耗低，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。

如图5所示，采用普通32.768kHz 晶振，与单片机之间通过I/O 脚和SCLK 脚传送同步串行数据，根据软件需要，单片机向它发送请求即可返回所需数值，将当前的日期和时间反馈。

它只需要3根口线即可工作：CE 引脚，高电平控制读写数据、SCLK 串行时钟引脚，控制数据的读和写、I/O 双向串行数据引脚。

V cc 2为备用电源，外接32.768kHz 晶振，为芯片提供计时脉冲。

1.7短信报警电路
如果发现有高于预警电压的情况，则系统会发送指定信息给指定号码，以便维修人员及时响应。

如图6所示，TC35新版西门子GSM 模块是一个支持中文
短信息的工业级GSM 模块，工作在EGSM900和
GSM1800双频段，电源范围为直流3.3～4.8V ，电流消耗：休眠状态为3.5mA ，空闲状态为25mA ，发射状态为300mA （平均），峰值为2.5A ；可传输语音和数据信号，功耗在EGSM900（4类）和GSM1800（1类）分别为2W 和1W ，通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM 卡读卡器和天线。

SIM 电压为3V/1.8V ，TC35的数据接口（CMOS 电平）通过AT 命令可双向传输指令和数据，可选波特率为0.3～115kbit/s ，自动波特率为1.2～115kbit/s 。

它支持Text 和PDU 格式的短消息（short message service ，SMS ），可通过AT 命令或关断信号实现重启和故障恢复。

作为TC35的核心基带处理器主要处理GSM 终端内的语音和数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有模拟和数字功能。

值得注意的是，模块的供电电压如果低于3.3V
会自动关机。

同时，模块在发射时，电流峰值可高达2A 。

在此电流峰值时，电源电压（送入模块的电压）下降值不能超过0.4V 。

所以，该模块对电源的要求较高，电源的内阻+FFC 连接线的电阻必需小于200m Ω。

单片机通过2根I/O 口控制TC35的开关机、复位等，通过串口与TC35进行数据通信，通信速率为9600kbit/s ，采用8位异步通信方式，1位起始位，8位数据位，1位停止位。

TC35模块输入输出的TTL 正电平逻辑不是5V ，而是2.9V ，因此必要时加端口
图5DS1302电路
V cc
32.768kHz
X 1
X 2
CE I/O V cc 2
CPU
GND
SCLK
P3.7P3.6P3.5
DS1302
V cc
+-V cc 1
图4二阶低通滤波器
V in
R 4
R 3
GND
R 2
R 1
OP07
C 1
-+
12V
-12V
GND
C 2
U out
图6TC35的使用连接和结构
4.2V 电源电路
启动电路
LED 指示MAX232RXD
TXD RS232接口
PC
CCVCC CCRST CCCLK CCIO CCGND TXD
RXD SYNC CCIN
ZIF 40pin
FFC 电缆
TC35
天线
模块接口SIM 卡
IGT 论著Thesis
·１３
·
保护。

另外，需要联系通信服务商开通双向数据包业务，配送指定号码。

基于GSM手机模块的短信平台只需要配合SIM卡使用，以取代繁琐的短消息专线接入，是目前应用最广泛的通信方案之一。

部分程序如下：
//AT指令的定义
char code AT_Tc35[]="AT+";//连机
char code Bps_Tc35[]="IPR=9600";//波特率
char code Text_Tc35[]="CMGF=1";//文本模式
char code Read_Tc35[]="CMGR=";//读信息
char code Erase_Tc35[]="CMGD=";//删除信息
char code Send_Tc35[]="CMGS=";//发送信息
char neirong[i]="alarm about high voltage";//发送短信内容字符串
//模式设置
void UART_Init(void)
{SCON=0×50;//01010000b=>1模式scon, #11011000b;
ES=l;}
//发短信的过程
ES=0;mingling(8,AT7);for(i=0;i<11;i++)sendda－ta(neirong[i]);senddata(0×0d);delaymm(100);
senddata(HH+0×30);senddata(mm+0×30);//发送数据内容
senddata(0×20);senddata(0×1a);senddata(0×0d); ES=1;//串口中断可以不关，一般不会冲突。

1.8其他单元电路
单片机在电路中主要负责控制显示、按键响应、AD转换、传感器供电（定时触发）、控制短信TC35模块收发、控制内部2048字节EEPROM和DS1302的读写。

其中，用于存储时间的EEPROM采用单字节的“char”变量类型来表示日、月、年、时、分一共5个数据，则一次存储需要5个字节。

每5min存储1次，则1d需要60/5×24×5=1440字节，所以，系统可以保存接近2d的数据并回显。

数据流程如图7所示。

2结果分析
通过9针串口数据线，将程序和数据通信协议烧录到单片机内，同时设置单片机UART初始化波特率为9600kbit/s，与常用信道和GSM模块同频；将互感传感器套接在电力线入口上，单片机上电运行，电源灯亮。

在移动通信公司开通指定SIM卡号码并插入，只需要把用户信息加上目的地址发送到相应的短信服务中心（SMSC）即可，通过服务中心存储转发给最终信宿（维护工程师等）。

对医院内使用频率较高的B超机进行测试，时间1d，测试采样率为1次/10min，将电压阈值设置到230V，观察电压波动情况和报警短信，结果如图8所示。

每当实际电压高
于设置阈值时，电压波动报警短信就会发送到指定电工手机上，最后可以以曲线回看的方式了解最近发生的电压波动情况。

本系统架构简单，使用方便，展收方便快捷。

根据上述程序指定内容，信宿手机显示“alarm about high voltageHHmm”。

3结语
系统既有模拟又有数字电路，还有高压吸收检测传感器，所以，必须考虑它们之间的电磁兼容性（electromagnetic compatibility，EMC）问题。

有几个地方需要注意：
（1）电源部分的EMC设计。

为了避免引入外界干扰噪声和电源线上的压降噪声，需采用容值不同的电容并联滤波，容值相差10倍左右即可。

同时，在印制电路板布线时，尽量加大电源铜箔宽度，减小环路电阻[12]。

（2）去耦部分设计。

电源输入跨接一个100μF 及以上的电解电容，同时为每个集成IC的V cc处放置一个0.01μF的陶瓷电容，这种器件高频阻抗很小，在0.5~20MHz内小于1Ω，且漏电流可在0.5μA以下。

（3）滤波和隔离。

需要隔离模拟量和数字量的电器连接，内外部电路接口隔离或者印制电路板电路隔离[13]；电网的高次谐波幅度会低于基波的幅度，抗混叠滤波器特性会产生较大误差，可将电压和电流图8采集电压波动图示例（测试时间段内11：30处超出阈值
）260
250
240
230
220
210
200
190
180
电
压
/
V
8
:
3
8
:
4
8
:
5
9
:
9
:
1
9
:
2
9
:
3
9
:
4
1
:
9
:
5
1
:
1
1
:
2
1
:
3
1
:
4
1
:
5
1
1
:
1
1
:
1
1
1
:
2
1
1
:
3
1
1
:
4
1
1
:
5
1
2
:
时间
图7系统数据流程
系统自检正常
系统初始化
提取DS1302
实时时钟信号
每隔5min采
集电压互感器
每隔5min采
集电流互感器按键查看
回显近
2d的数据A/D转换1
根据指定
号码发送
预警短信
数据实时显示，
并存入EEPROM
如果超过了设定的
阈值，触发短信模块
返回程序头
A/D转换2
是
是是是
否
（荩荩下转第18页荩荩）
信号以倍频6.4kHz 进行采样，
然后用数字滤波器来滤除形成混叠的高频成分，减少对抗混叠滤波器特性要求的依赖。

本系统在升级设计中还可以考虑如下几个方面的问题：
（1）可以对谐波进行时域和频域分析，同时可使用备用电源切换；扩容EEPROM 使存储量更大。

（2）根据不同用电环境和需求，系统可考虑增设瞬态断电保护功能和无功补偿[14]。

（3）
利用单独的高速采样芯片和精准的逻辑判断，可监测电压瞬间骤变等持续时间更短的跳变现象。

总之，作为一个用电大户和拥有众多精密仪器的单位，医疗机构应该对电网环境进行有效监测，以保护自身的设备安全和患者安全。

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（收稿：2014-05-14修回：2014-08-05）
（荨荨上接第14页荨荨）
液，
深约25cm ，密度约1.28kg/L ，液体温度与被试者体温保持一致。

漂浮仪内没有任何光线，环境音量低于10dB 。

在这种条件下，受训人员漂浮于液面上，重量感消失，所有的随意肌均可以完全放松，通过这种方式进行心理调节与治疗。

如今大多的漂浮疗法已不再使用传统的漂浮仪，取而代之的是一个较为宽敞的封闭式房间，内置一个特制的类似浴池的漂浮容器用以盛放漂浮液。

近年来，漂浮疗法又发展出一种新模式，与传统方法的不同之处在于受训人员不是直接在水面漂浮，而是在一个盛有漂浮液的巨大水囊上漂浮，人体与漂浮液之间隔有一层低触觉薄膜，传统的漂浮疗法被称为湿性漂浮，这种方法则称为干性漂浮。

漂浮疗法在西方国家已经普及，在我国才刚刚起步，理论与实践尚处于探索之中。

本文应用并发展了现有的漂浮治疗技术，采用干性漂浮方法，一方面达到身心放松的目的，同时也有效避免了漂浮舱内受训人员与漂浮液直接接触所带来的消毒不及时、不卫生和意外呛水等不安全问题。

“漂浮舱”在空军部队进行了小范围的应用，初步的应用效果表明，以“漂浮舱”为训练环境，结合虚拟现实生物反馈技术，受训官兵在训练过程中松弛自如，极易产生太空漂浮翱翔蓝天的感觉，能够实现“被动式”放松，有效缓解压力和身心疲劳，效果稳定迅速。

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（收稿：2014-08-11
修回：2014-11-16）。