基于AVR單片機(jī)的醫(yī)用臭氧治療儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要： 本文提出了一種采用AVR單片機(jī)作為主控中心的臭氧治療儀設(shè)計(jì)方案，并給出了系統(tǒng)總體方案，軟硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和抗干擾措施。

關(guān)鍵詞： AVR單片機(jī)；醫(yī)用臭氧治療儀；軟硬件設(shè)計(jì)

概述

臭氧作為一種高效冷殺菌手段，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)中。具有高效、迅速殺菌作用的臭氧在醫(yī)院環(huán)境消毒、術(shù)前消毒等方面應(yīng)用廣泛，其治療效果優(yōu)于其它傳統(tǒng)殺菌治療儀。因此研制一種運(yùn)行穩(wěn)定、使用方便、便攜的臭氧治療儀產(chǎn)品，為婦科疾病患者提供一種方便有效的在家治療方式，具有實(shí)際意義。

目前市面上的同類型產(chǎn)品都是采用80C51單片機(jī)為控制核心的, 雖然也能實(shí)現(xiàn)它所需求的功能，但執(zhí)行速度慢，在長期工作環(huán)境中，特別在臭氧治療儀的內(nèi)部大功率氣泵模塊和臭氧發(fā)生器的干擾下，系統(tǒng)功耗高和抗干擾性能差，系統(tǒng)性能不穩(wěn)定等問題便凸現(xiàn)出來。對(duì)此本文采用了ATMEL公司的一款A(yù)VR高檔單片機(jī)，對(duì)控制系統(tǒng)作了改進(jìn)，提高了整機(jī)的性能。

臭氧產(chǎn)生的原理及方法

臭氧產(chǎn)生的方式有多種，目前工業(yè)上臭氧的生產(chǎn)主要是采用電暈放電法，基本原理如圖1所示。

圖1 臭氧發(fā)生器基本原理

在臭氧發(fā)生器中，一對(duì)電極間由介電體(通常采用玻璃)和氣隙(通常含氧氣體)隔開。當(dāng)外加交流高壓時(shí)，隨著電壓值的升高，氣隙中發(fā)生電暈放電，氣體被電離，間隙中的氧離子濃度急劇增加，在極強(qiáng)大的電場(chǎng)力作用下，氣體分子碰撞加速，氧離子和氧分子以及氧離子相互之間發(fā)生反應(yīng)生成臭氧。

按供電電源頻率的不同可分為：工頻臭氧發(fā)生器、中頻臭氧發(fā)生器和高頻臭氧發(fā)生器。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

醫(yī)用臭氧治療儀系統(tǒng)以ATmega8L-8PI高性能微處理器為核心，主要由電源模塊、臭氧發(fā)生器、氣泵模塊、串口通訊、LED顯示電路和鍵盤等組成，如圖2所示。單片機(jī)通過繼電器輸出控制臭氧模塊和氣泵模塊的工作，同時(shí)單片機(jī)還控制LED顯示和鍵盤輸入等操作。

圖2 控制系統(tǒng)總體框圖

ATmega8L-8PI微處理器

ATmega8L-8PI是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC (精簡(jiǎn)指令集)結(jié)構(gòu)的高性能、低功耗8位單片機(jī)。處理器具有可控制的上電復(fù)位延時(shí)電路和可編程的欠電壓檢測(cè)電路、內(nèi)部和外部共18個(gè)中斷源、5種休眠模式。32個(gè)工作寄存器和豐富的指令集連接在一起，使大部分指令的執(zhí)行時(shí)僅為一個(gè)時(shí)鐘周期。因此，ATmega8可以達(dá)到將近1 MIPS／MHz的性能，運(yùn)行速度比普通的單片機(jī)高出10倍。

其片內(nèi)集成了8KB的Flash程序存儲(chǔ)器、512 B的EEPROM 、支持ISP和IAP編程、可編程的程序加密位、3個(gè)PWM通道、8路10位ADC、2個(gè)帶預(yù)分頻的8位定時(shí)／計(jì)數(shù)器、1個(gè)帶預(yù)分頻的16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器、RC振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器等；以及I2C、SPI、UART接口，可以接收從上位機(jī)的RS-232接口下載的程序，只需外接晶體振蕩器、基準(zhǔn)電源等少數(shù)幾個(gè)器件即可進(jìn)行工作，極大地方便系統(tǒng)的開發(fā)和研制。

臭氧發(fā)生器模塊

根據(jù)國標(biāo)GB9706.1-1995和GB4343.2-1999規(guī)定的家用醫(yī)療治療儀的安全性能方面的要求，我們選用的臭氧發(fā)生器模塊電源功率為AC220V/50Hz，功率為13W，出氣量為100~200mg/h。根據(jù)選擇不同功能按鍵，臭氧濃度是可調(diào)的，由功能控制程序內(nèi)部自動(dòng)調(diào)節(jié)。治療儀共有四個(gè)功能：空氣消毒、臭氧水處理、陰道炎治療以及宮頸炎治療。在前兩種功能時(shí)，氣體流量為標(biāo)準(zhǔn)流量≥1.5L/min。技術(shù)允許時(shí)，流量可以增大至2L/min，臭氧濃度為標(biāo)準(zhǔn)。后兩種功能的氣體流量為1~1.2L/min，臭氧濃度為增大。

根據(jù)產(chǎn)生臭氧的原理可知，在本系統(tǒng)中由臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的高壓干擾不容忽視。這種高壓將主要通過傳導(dǎo)偶合的方式干擾線性電源的穩(wěn)定，同時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)中的高頻元件——單片機(jī)產(chǎn)生一定的干擾。

氣泵模塊

根據(jù)相關(guān)要求，選用的氣泵電源為AC220V/50Hz工頻電源，功率為5~9W，出氣量為1.2L/min。工作原理是通過電磁振蕩驅(qū)動(dòng)一種特殊的膜片來產(chǎn)生動(dòng)力。與臭氧發(fā)生模塊相比，該模塊產(chǎn)生的干擾較少。因?yàn)殡妷狠^低，所以電場(chǎng)干擾并不強(qiáng)烈；磁場(chǎng)干擾方面，電動(dòng)機(jī)工作鐵心會(huì)通過漏磁影響到其它模塊。但由于磁場(chǎng)頻率不高，未達(dá)到MHz級(jí)，因此磁場(chǎng)干擾在一定范圍之外幾乎可以不必考慮。
電源模塊

電源輸入為市電交流220V/50Hz；電源輸出要給4個(gè)部分供電：
*單片機(jī)的工作電源——直流+5V；
*臭氧發(fā)生器的工作電源——交流220V/50Hz；
*氣泵的工作電源——交流220V/50Hz；
*繼電器的工作電源——直流+12V。

電源模塊設(shè)計(jì)的質(zhì)量直接關(guān)系到單片機(jī)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，電源模塊的設(shè)計(jì)有如下幾個(gè)問題：臭氧發(fā)生器的高電壓會(huì)對(duì)單片機(jī)的工作造成影響，同時(shí)對(duì)+5V直流穩(wěn)定電源也有一定干擾；氣泵模塊會(huì)造成電磁干擾，通過輻射耦合附加到信號(hào)傳輸線上，有可能會(huì)引起誤動(dòng)作，造成控制不準(zhǔn)確；空間存在的電磁波及工作環(huán)境下的各種干擾會(huì)加入到電源輸入端，另外市電也不是純凈的220V交流電源，也會(huì)伴隨一些尖峰波。因此在電源的設(shè)計(jì)上采用了大量抗干擾措施。

LED和鍵盤模塊

通過鍵盤來設(shè)置各種工作模式，如選擇治療陰道炎鍵時(shí)，程序自動(dòng)切換至治療陰道炎的臭氧濃度和默認(rèn)工作時(shí)間。用戶也可通過鍵盤自己設(shè)置治療時(shí)間的長短。

AVR單片機(jī)的I/O線全部帶可設(shè)置的上拉電阻，因此可不用接電阻而直接接地；當(dāng)沒有按動(dòng)鍵盤時(shí)，皆是輸入高電平，如果按動(dòng)其中的某個(gè)按鍵，該按鍵相應(yīng)的端口就會(huì)被拉低為低電平輸入。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，ATmega8L-8PI采用C語言在ICCAVR環(huán)境下編寫和編譯，主要完成對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，讀入鍵盤狀態(tài)，并把各種狀態(tài)輸出到四位數(shù)碼管上顯示，同時(shí)MCU把控制信號(hào)輸出到電源板上。包括主程序、鍵盤掃描子程序、顯示子程序，各按鍵功能子程序、打印子程序等。源代碼經(jīng)編譯成Intel十六進(jìn)制文件后可以通過UART串行口直接加載到ATmega8L-8PI片內(nèi)的閃速／電擦除程序存儲(chǔ)器，并且可以進(jìn)行在線調(diào)試和修改，大大提高了開發(fā)效率。主程序流程圖如圖3所示。

圖3   主程序流程圖.

主程序啟動(dòng)復(fù)位后，首先是調(diào)用初始化子程序?qū)ο嚓P(guān)的IO口進(jìn)行輸入輸出定義及參數(shù)初始化；接著進(jìn)行鍵盤掃描(含去抖動(dòng)處理)，然后根據(jù)鍵盤鍵碼值執(zhí)行相應(yīng)的功能，當(dāng)工作結(jié)束則進(jìn)入睡眠狀態(tài)，若無操作超過一定的時(shí)間,則系統(tǒng)也將處于睡眠狀態(tài)，大大減少用電損耗。

在軟件方面也采用了軟件抗干擾措施，如看門狗、指令冗余、睡眠抗干擾等。軟件上的抗干擾措施加上硬件抗干擾技術(shù)是醫(yī)用治療器功能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)地可靠保障。

治療儀的EMC測(cè)試

用全功能電腦型耐受性測(cè)試器TRANSIENT-2000，對(duì)設(shè)計(jì)的“醫(yī)用臭氧治療儀”安全性能與抗干擾性能進(jìn)行了測(cè)試。功能測(cè)試結(jié)果和抗干擾性能測(cè)試結(jié)果分別見表1和表2所示。

結(jié)語

本文介紹的醫(yī)用婦科臭氧治療儀，以高性能的AVR單片機(jī)ATmega8L-8PI為主控中心，簡(jiǎn)化了電路，節(jié)約了成本，并采用了各種硬件和軟件抗干擾措施，有效提高了系統(tǒng)運(yùn)行速度和穩(wěn)定性。測(cè)試結(jié)果證明，本文所設(shè)計(jì)的醫(yī)用婦科臭氧治療儀運(yùn)行穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，便攜實(shí)用，為廣大婦科疾病患者提供了一種方便有效的家庭治療方案。

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