利用AVR單片機為主控的臭氧治療儀設計方案

?? 臭氧作為一種高效冷殺菌手段，目前已經被廣泛應用在各行各業中。具有高效、迅速殺菌作用的臭氧在醫院環境消毒、術前消毒等方面應用廣泛，其治療效果優于其它傳統殺菌治療儀。因此研制一種運行穩定、使用方便、便攜的臭氧治療儀產品，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品都是采用80C51單片機為控制核心的, 雖然也能實現它所需求的功能，但執行速度慢，在長期工作環境中，特別在臭氧治療儀的內部大功率氣泵模塊和臭氧發生器的干擾下，系統功耗高和抗干擾性能差，系統性能不穩定等問題便凸現出來。對此本文采用了ATMEL公司的一款AVR高檔單片機，對控制系統作了改進，提高了整機的性能。

臭氧產生的原理及方法

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

　　
圖1 臭氧發生器基本原理?

??? 在臭氧發生器中，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：工頻臭氧發生器、中頻臭氧發生器和高頻臭氧發生器。

系統總體結構設計

??? 醫用臭氧治療儀系統以ATmega8L-8PI高性能微處理器為核心，主要由電源模塊、臭氧發生器、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工藝生產的基于AVR RISC (精簡指令集)結構的高性能、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／計數器、1個帶預分頻的16位定時／計數器、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、基準電源等少數幾個器件即可進行工作，極大地方便系統的開發和研制。

臭氧發生器模塊

??? 臭氧發生器模塊電源功率為AC220V/50Hz，功率為 13W，出氣量為100~200mg/h。根據選擇不同功能按鍵，臭氧濃度是可調的，由功能控制程序內部自動調節。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。

??? 根據產生臭氧的原理可知，在本系統中由臭氧發生器產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定，同時對控制系統中的高頻元件——單片機產生一定的干擾。

氣泵模塊

??? 根據相關要求，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動一種特殊的膜片來產生動力。與臭氧發生模塊相比，該模塊產生的干擾較少。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。

??? 電源模塊設計的質量直接關系到單片機系統的工作穩定性，在本設計系統中，電源模塊的設計有如下幾個問題：臭氧發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。因此在電源的設計上采用了大量抗干擾措施。

LED和鍵盤模塊

??? 通過鍵盤來設置各種工作模式，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置治療時間的長短。

??? AVR單片機的I/O線全部帶可設置的上拉電阻，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。

系統軟件設計

??? 本系統中，ATmega8L-8PI采用C語言在ICCAVR環境下編寫和編譯，主要完成對鍵盤進行掃描，讀入鍵盤狀態，并把各種狀態輸出到四位數碼管上顯示，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片內的閃速／電擦除程序存儲器，并且可以進行在線調試和修改，大大提高了開發效率。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，首先是調用初始化子程序對相關的IO口進行輸入輸出定義及參數初始化；接著進行鍵盤掃描(含去抖動處理)，然后根據鍵盤鍵碼值執行相應的功能，當工作結束則進入睡眠狀態，若無操作超過一定的時間,則系統也將處于睡眠狀態，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是醫用治療器功能穩定實現地可靠保障。

治療儀的EMC測試

??? 用全功能電腦型耐受性測試器TRANSIENT-2000，對設計的“醫用臭氧治療儀”安全性能與抗干擾性能進行了測試。功能測試結果和抗干擾性能測試結果分別見表1和表2所示。

結語

??? 本文介紹的醫用婦科臭氧治療儀，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，有效提高了系統運行速度和穩定性。測試結果證明，本文所設計的醫用婦科臭氧治療儀運行穩定可靠，系統抗干擾能力強，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。