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正文

基于AVR单片机的医用臭氧治疗仪的设计与实现

摘要: 本文提出了一种采用AVR单片机作为主控中心的臭氧治疗仪设计方案,并给出了系统总体方案,软硬件设计结构和抗干扰措施。

关键词: AVR单片机;医用臭氧治疗仪;软硬件设计

概述

臭氧作为一种高效冷杀菌手段,目前已经被广泛应用在各行各业中。具有高效、迅速杀菌作用的臭氧在医院环境消毒、术前消毒等方面应用广泛,其治疗效果优于其它传统杀菌治疗仪。因此研制一种运行稳定、使用方便、便携的臭氧治疗仪产品,为妇科疾病患者提供一种方便有效的在家治疗方式,具有实际意义。

目前市面上的同类型产品都是采用80C51单片机为控制核心的, 虽然也能实现它所需求的功能,但执行速度慢,在长期工作环境中,特别在臭氧治疗仪的内部大功率气泵模块和臭氧发生器的干扰下,系统功耗高和抗干扰性能差,系统性能不稳定等问题便凸现出来。对此本文采用了ATMEL公司的一款AVR高档单片机,对控制系统作了改进,提高了整机的性能。

臭氧产生的原理及方法

臭氧产生的方式有多种,目前工业上臭氧的生产主要是采用电晕放电法,基本原理如图1所示。

图1 臭氧发生器基本原理

在臭氧发生器中,一对电极间由介电体(通常采用玻璃)和气隙(通常含氧气体)隔开。当外加交流高压时,随着电压值的升高,气隙中发生电晕放电,气体被电离,间隙中的氧离子浓度急剧增加,在极强大的电场力作用下,气体分子碰撞加速,氧离子和氧分子以及氧离子相互之间发生反应生成臭氧。

按供电电源频率的不同可分为:工频臭氧发生器、中频臭氧发生器和高频臭氧发生器。

系统总体结构设计

医用臭氧治疗仪系统以ATmega8L-8PI高性能微处理器为核心,主要由电源模块、臭氧发生器、气泵模块、串口通讯、LED显示电路和键盘等组成,如图2所示。单片机通过继电器输出控制臭氧模块和气泵模块的工作,同时单片机还控制LED显示和键盘输入等操作。

图2 控制系统总体框图

ATmega8L-8PI微处理器

ATmega8L-8PI是一款采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVR RISC (精简指令集)结构的高性能、低功耗8位单片机。处理器具有可控制的上电复位延时电路和可编程的欠电压检测电路、内部和外部共18个中断源、5种休眠模式。32个工作寄存器和丰富的指令集连接在一起,使大部分指令的执行时仅为一个时钟周期。因此,ATmega8可以达到将近1 MIPS/MHz的性能,运行速度比普通的单片机高出10倍。

其片内集成了8KB的Flash程序存储器、512 B的EEPROM 、支持ISP和IAP编程、可编程的程序加密位、3个PWM通道、8路10位ADC、2个带预分频的8位定时/计数器、1个带预分频的16位定时/计数器、RC振荡器的可编程看门狗定时器等;以及I2C、SPI、UART接口,可以接收从上位机的RS-232接口下载的程序,只需外接晶体振荡器、基准电源等少数几个器件即可进行工作,极大地方便系统的开发和研制。

臭氧发生器模块

根据国标GB9706.1-1995和GB4343.2-1999规定的家用医疗治疗仪的安全性能方面的要求,我们选用的臭氧发生器模块电源功率为AC220V/50Hz,功率为13W,出气量为100~200mg/h。根据选择不同功能按键,臭氧浓度是可调的,由功能控制程序内部自动调节。治疗仪共有四个功能:空气消毒、臭氧水处理、阴道炎治疗以及宫颈炎治疗。在前两种功能时,气体流量为标准流量≥1.5L/min。技术允许时,流量可以增大至2L/min,臭氧浓度为标准。后两种功能的气体流量为1~1.2L/min,臭氧浓度为增大。

根据产生臭氧的原理可知,在本系统中由臭氧发生器产生的高压干扰不容忽视。这种高压将主要通过传导偶合的方式干扰线性电源的稳定,同时对控制系统中的高频元件——单片机产生一定的干扰。

气泵模块

根据相关要求,选用的气泵电源为AC220V/50Hz工频电源,功率为5~9W,出气量为1.2L/min。工作原理是通过电磁振荡驱动一种特殊的膜片来产生动力。与臭氧发生模块相比,该模块产生的干扰较少。因为电压较低,所以电场干扰并不强烈;磁场干扰方面,电动机工作铁心会通过漏磁影响到其它模块。但由于磁场频率不高,未达到MHz级,因此磁场干扰在一定范围之外几乎可以不必考虑。
电源模块

电源输入为市电交流220V/50Hz;电源输出要给4个部分供电:
*单片机的工作电源——直流+5V;
*臭氧发生器的工作电源——交流220V/50Hz;
*气泵的工作电源——交流220V/50Hz;
*继电器的工作电源——直流+12V。

电源模块设计的质量直接关系到单片机系统的工作稳定性,在本设计系统中,电源模块的设计有如下几个问题:臭氧发生器的高电压会对单片机的工作造成影响,同时对+5V直流稳定电源也有一定干扰;气泵模块会造成电磁干扰,通过辐射耦合附加到信号传输线上,有可能会引起误动作,造成控制不准确;空间存在的电磁波及工作环境下的各种干扰会加入到电源输入端,另外市电也不是纯净的220V交流电源,也会伴随一些尖峰波。因此在电源的设计上采用了大量抗干扰措施。

LED和键盘模块

通过键盘来设置各种工作模式,如选择治疗阴道炎键时,程序自动切换至治疗阴道炎的臭氧浓度和默认工作时间。用户也可通过键盘自己设置治疗时间的长短。

AVR单片机的I/O线全部带可设置的上拉电阻,因此可不用接电阻而直接接地;当没有按动键盘时,皆是输入高电平,如果按动其中的某个按键,该按键相应的端口就会被拉低为低电平输入。