基于AVR單片機的醫(yī)用臭氧治療儀的設(shè)計

摘要： 本文提出了一種采用AVR單片機作為主控中心的臭氧治療儀設(shè)計方案，并給出了系統(tǒng)總體方案，軟硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)和抗干擾措施。
關(guān)鍵詞： AVR單片機；醫(yī)用臭氧治療儀；軟硬件設(shè)計

概述

    臭氧作為一種高效冷殺菌手段，目前已經(jīng)被廣泛應用在各行各業(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，具有實際意義。

    目前市面上的同類型產(chǎn)品都是采用80C51單片機為控制核心的, 雖然也能實現(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。對此本文采用了ATMEL公司的一款AVR高檔單片機，對控制系統(tǒng)作了改進，提高了整機的性能。

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。當外加交流高壓時，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，在極強大的電場力作用下，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

    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。單片機通過繼電器輸出控制臭氧模塊和氣泵模塊的工作，同時單片機還控制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 (精簡指令集)結(jié)構(gòu)的高性能、低功耗8位單片機。處理器具有可控制的上電復位延時電路和可編程的欠電壓檢測電路、內(nèi)部和外部共18個中斷源、5種休眠模式。32個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)行時僅為一個時鐘周期。因此，ATmega8可以達到將近1 MIPS／MHz的性能，運行速度比普通的單片機高出10倍。

    其片內(nèi)集成了8KB的Flash程序存儲器、512 B的EEPROM 、支持ISP和IAP編程、可編程的程序加密位、3個PWM通道、8路10位ADC、2個帶預分頻的8位定時／計數(shù)器、1個帶預分頻的16位定時／計數(shù)器、RC振蕩器的可編程看門狗定時器等；以及I2C、SPI、UART接口，可以接收從上位機的RS-232接口下載的程序，只需外接晶體振蕩器、基準電源等少數(shù)幾個器件即可進行工作，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)部自動調(diào)節(jié)。治療儀共有四個功能：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，氣體流量為標準流量≥1.5L/min。技術(shù)允許時，流量可以增大至2L/min，臭氧濃度為標準。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偶合的方式干擾線性電源的穩(wěn)定，同時對控制系統(tǒng)中的高頻元件——單片機產(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)動一種特殊的膜片來產(chǎn)生動力。與臭氧發(fā)生模塊相比，該模塊產(chǎn)生的干擾較少。因為電壓較低，所以電場干擾并不強烈；磁場干擾方面，電動機工作鐵心會通過漏磁影響到其它模塊。但由于磁場頻率不高，未達到MHz級，因此磁場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個部分供電：
*單片機的工作電源——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)計的質(zhì)量直接關(guān)系到單片機系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，在本設(shè)計系統(tǒng)中，電源模塊的設(shè)計有如下幾個問題：臭氧發(fā)生器的高電壓會對單片機的工作造成影響，同時對+5V直流穩(wěn)定電源也有一定干擾；氣泵模塊會造成電磁干擾，通過輻射耦合附加到信號傳輸線上，有可能會引起誤動作，造成控制不準確；空間存在的電磁波及工作環(huán)境下的各種干擾會加入到電源輸入端，另外市電也不是純凈的220V交流電源，也會伴隨一些尖峰波。因此在電源的設(shè)計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，程序自動切換至治療陰道炎的臭氧濃度和默認工作時間。用戶也可通過鍵盤自己設(shè)置治療時間的長短。

    AVR單片機的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；當沒有按動鍵盤時，皆是輸入高電平，如果按動其中的某個按鍵，該按鍵相應的端口就會被拉低為低電平輸入。

系統(tǒng)軟件設(shè)計

    本系統(tǒng)中，ATmega8L-8PI采用C語言在ICCAVR環(huán)境下編寫和編譯，主要完成對鍵盤進行掃描，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MCU把控制信號輸出到電源板上。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／電擦除程序存儲器，并且可以進行在線調(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.

    主程序啟動復位后，首先是調(diào)用初始化子程序?qū)ο嚓P(guān)的IO口進行輸入輸出定義及參數(shù)初始化；接著進行鍵盤掃描(含去抖動處理)，然后根據(jù)鍵盤鍵碼值執(zhí)行相應的功能，當工作結(jié)束則進入睡眠狀態(tài)，若無操作超過一定的時間,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)定實現(xiàn)地可靠保障。

治療儀的EMC測試

    用全功能電腦型耐受性測試器TRANSIENT-2000，對設(shè)計的“醫(yī)用臭氧治療儀”安全性能與抗干擾性能進行了測試。功能測試結(jié)果和抗干擾性能測試結(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ATmega8L-8PI為主控中心，簡化了電路，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)運行速度和穩(wěn)定性。測試結(jié)果證明，本文所設(shè)計的醫(yī)用婦科臭氧治療儀運行穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)抗干擾能力強，便攜實用，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。

參考文獻：
1.  魏旭等，提高臭氧發(fā)生器放電室效率的研究，電工電能新技術(shù)，1998.2：46-49
2.  唐杰，串聯(lián)諧振式DBD型臭氧發(fā)生器電源的研究與開發(fā)，湖南大學出版社，2004.
3.  包秀榮，王楠，AVR單片機的特點及其應用，內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟出版社， 2004.6：51-52
4.  茍加志，單片機測控系統(tǒng)抗干擾設(shè)計，重慶工商大學學報(自然科學版)，2005， 22(1)： 59-62.
5.  趙曉慧，智能儀表中單片機抗干擾措施的研究，遼寧師專學報，2002，4(3)：93-95. 
6.  黃永俊，張學中，謝新港，單片機嵌入式系統(tǒng)的可靠性探討，農(nóng)機化研究，2005，(3)：89-91