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(zhǎng)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(wèn)題便凸現(xiàn)出來(lái),。對(duì)此本文采用了ATMEL公司的一款AVR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(kāi)。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(guò)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(kāi)發(fā)和研制,。
臭氧發(fā)生器模塊
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(guò)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(guò)電磁振蕩驅(qū)動(dòng)一種特殊的膜片來(lái)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(guò)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(wèn)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(guò)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(guò)鍵盤來(lái)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(guò)鍵盤自己設(shè)置治療時(shí)間的長(zhǎng)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(méi)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(yǔ)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(guò)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(kāi)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(wú)操作超過(guò)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(jiàn)表1和表2所示,。
結(jié)語(yǔ)
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,。