原创 基于AVR单片机的医用臭氧治疗仪的设计

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。

系统软件设计

    本系统中，ATmega8L-8PI采用C语言在ICCAVR环境下编写和编译，主要完成对键盘进行扫描，读入键盘状态，并把各种状态输出到四位数码管上显示，同时MCU把控制信号输出到电源板上。包括主程序、键盘扫描子程序、显示子程序，各按键功能子程序、打印子程序等。源代码经编译成Intel十六进制文件后可以通过UART串行口直接加载到ATmega8L-8PI片内的闪速／电擦除程序存储器，并且可以进行在线调试和修改，大大提高了开发效率。主程序流程图如图3所示。

图3   主程序流程图.

    主程序启动复位后，首先是调用初始化子程序对相关的IO口进行输入输出定义及参数初始化；接着进行键盘扫描(含去抖动处理)，然后根据键盘键码值执行相应的功能，当工作结束则进入睡眠状态，若无操作超过一定的时间,则系统也将处于睡眠状态，大大减少用电损耗。

    在软件方面也采用了软件抗干扰措施，如看门狗、指令冗余、睡眠抗干扰等。软件上的抗干扰措施加上硬件抗干扰技术是医用治疗器功能稳定实现地可靠保障。

治疗仪的EMC测试

    用全功能电脑型耐受性测试器TRANSIENT-2000，对设计的“医用臭氧治疗仪”安全性能与抗干扰性能进行了测试。功能测试结果和抗干扰性能测试结果分别见表1和表2所示。

结语

    本文介绍的医用妇科臭氧治疗仪，以高性能的AVR单片机ATmega8L-8PI为主控中心，简化了电路，节约了成本，并采用了各种硬件和软件抗干扰措施，有效提高了系统运行速度和稳定性。测试结果证明，本文所设计的医用妇科臭氧治疗仪运行稳定可靠，系统抗干扰能力强，便携实用，为广大妇科疾病患者提供了一种方便有效的家庭治疗方案。

参考文献：
1.  魏旭等，提高臭氧发生器放电室效率的研究，电工电能新技术，1998.2：46-49
2.  唐杰，串联谐振式DBD型臭氧发生器电源的研究与开发，湖南大学出版社，2004.
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