恒液位霧化器設(shè)計(jì)

【摘 要】為了達(dá)到將水等液體高效霧化的目的，本文給出了一種基于AT89S52單片機(jī)的超聲波霧化器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該控制系統(tǒng)通過測(cè)量霧化室內(nèi)液位，控制微型水泵給排水，使霧化室內(nèi)液位保持相對(duì)恒定并處于最高效率工作區(qū)間，進(jìn)而控制霧化頭工作。此外，系統(tǒng)還具有霧化頭的自我保護(hù)、霧化量分級(jí)可控功能。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該系統(tǒng)能持續(xù)、高效地使液體在最佳液位實(shí)現(xiàn)恒液位霧化。

【關(guān)鍵詞】霧化器 恒液位 單片機(jī)

一、引言

液體霧化的方法有加熱霧化、壓力霧化、轉(zhuǎn)盤霧化、氣體霧化及超聲波霧化等。能夠?qū)崿F(xiàn)霧化的裝置稱為霧化器。其中，超聲波霧化器通過陶瓷霧化片的高頻諧振，將液態(tài)分子結(jié)構(gòu)打散而產(chǎn)生霧狀微粒，該過程無(wú)需加熱或添加其他化學(xué)試劑。與普通加熱霧化方式相比，超聲波霧化可節(jié)能90%左右。此外，超聲波霧化器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積重量小、使用方便、成本低廉、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，在吸入式治療、成分提取、化學(xué)合成、農(nóng)藥噴灑、空氣加濕、山水盆景、藝術(shù)造型等方面有著廣泛的應(yīng)用。

本文針對(duì)需長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)高效霧化需求設(shè)計(jì)了一款恒液位霧化裝置。系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)為控制核心，通過周期性測(cè)量霧化室內(nèi)液位，控制微型水泵進(jìn)水或排水，使霧化室內(nèi)液位保持相對(duì)恒定并處于最高霧化效率工作區(qū)間，進(jìn)而控制霧化頭工作，達(dá)到持續(xù)、高效霧化的目的。

二、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要包括電源模塊、液位測(cè)量模塊、水泵給排水控制模塊、霧化器啟?？刂颇K、液晶顯示模塊、風(fēng)扇啟?？刂颇K六部分。其中單片機(jī)、微型泵及液位傳感器三部分構(gòu)成了單閉環(huán)控制回路，控制系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)外接24V電源，并使用2個(gè)DC/DC降壓模塊分別降壓為5V和12V便于后用。霧化頭由24V電源直接供電，液位傳感器、AT89S52單片機(jī)以及水泵的工作電壓均為5V，均接5V輸出的DC/DC降壓模塊KIM-055L（25W額定功率），風(fēng)扇接12V輸出的DC/DC降壓芯片7812。本設(shè)計(jì)采用超聲波霧化頭，霧化頭通過內(nèi)置的LC振蕩產(chǎn)生高頻振蕩波，再通過功率放大以及升壓環(huán)節(jié)，使陶瓷霧化片產(chǎn)生高頻諧振，將接觸到霧化片的液態(tài)分子結(jié)構(gòu)打散而產(chǎn)生細(xì)微的液珠，從而起到霧化作用。為了使產(chǎn)生的霧氣盡快散出而不再次被液體所吸收，還應(yīng)采用風(fēng)扇對(duì)霧化室強(qiáng)制對(duì)流。

霧化過程以一定速率消耗液體，液位隨之逐漸下降。為了能及時(shí)補(bǔ)液以避免低效率霧化甚至無(wú)液體情況（會(huì)損壞霧化頭），必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液位（液位的測(cè)量詳見第三部分）。液體的補(bǔ)充及排出使用了微型直流齒輪泵來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，為了便于監(jiān)測(cè)霧化室內(nèi)的液位，當(dāng)前液位測(cè)量值及設(shè)定的液位區(qū)間、霧化頭及風(fēng)扇的工作狀態(tài)均會(huì)在控制板上的液晶屏上進(jìn)行顯示。

三、液位測(cè)量及數(shù)據(jù)處理

液位測(cè)量方法或方式有接觸式、磁致伸縮型、伺服式、靜壓式、超聲波法、電磁波/微波/雷達(dá)法、調(diào)制型光學(xué)法、光纖傳感器法等。其中，超聲波液位計(jì)以其非接觸、低成本、體積小、精度較高等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。在本設(shè)計(jì)中，采用了超聲波測(cè)距模塊HC-SR04。該模塊測(cè)量范圍為2-400cm，測(cè)距精確度可達(dá)3mm。設(shè)計(jì)中將HC-SR04測(cè)距模塊的觸發(fā)端口接單片機(jī)的P2.4口，回響端口接P2.5口。當(dāng)給觸發(fā)端口至少10us的高電平信號(hào)后，模塊自動(dòng)發(fā)出8個(gè)40KHz的超聲波脈沖串，然后檢測(cè)是否有信號(hào)返回。超聲波在傳播過程中碰到障礙物即發(fā)生反射，部分信號(hào)原路返回。當(dāng)HC-SR04測(cè)距模塊接收到回波信號(hào)后，則在回響信號(hào)輸出端口輸出一個(gè)高電平，其持續(xù)時(shí)間等于超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。當(dāng)單片機(jī)在回響端口檢測(cè)到高電平后即開始啟動(dòng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，直到回響端口的輸出變成低電平。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值與單片機(jī)的計(jì)數(shù)周期相乘，即為超聲波從發(fā)射到接收的往返時(shí)間t，由此可算得超聲波探頭到液面間的距離，其中v為聲速，通?？扇/s。

四、微型泵給排水控制

在本設(shè)計(jì)中，液體的補(bǔ)充及排出（給排水）使用了微型直流齒輪泵來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了避免微型泵頻繁啟停，控制算法中使用了以最佳液位為中值的液位區(qū)間。當(dāng)測(cè)量的液位值低于設(shè)定的最佳液位區(qū)間下限時(shí)，單片機(jī)控制微型泵給水（正轉(zhuǎn)），直至液位測(cè)量值大于或等于最佳液位區(qū)間中值，然后使微型泵停轉(zhuǎn)；當(dāng)測(cè)量值高于設(shè)定的最佳液位區(qū)間上限時(shí)，微型泵排水（反轉(zhuǎn)）直至測(cè)量液位小于或等于最佳液位區(qū)間中值，然后微型泵停轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)中待霧化的目標(biāo)液體為水，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，其最佳霧化液位區(qū)間為[2.5， 4.0]cm?？紤]到霧化時(shí)液位逐漸下降的因素，實(shí)際霧化液位中值修正為3.5cm。微型泵的正反轉(zhuǎn)邏輯是通過2個(gè)額定電壓為5V的HK4100F繼電器JDQ1和JDQ2來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2所示。其中繼電器的控制線圈（接2、5線端）由三極管Q1和Q2驅(qū)動(dòng)。微型泵的兩個(gè)接線端口分別連接JDQ1和JDQ2的1端口。單片機(jī)用于控制微型泵正反轉(zhuǎn)的兩個(gè)輸出端口P3.0和P3.1分別連接Q1和Q2的基極。當(dāng)P3.0輸出高電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，JDQ1的常開觸點(diǎn)3閉合，常閉觸點(diǎn)4斷開，公共線端1與3連通，微型泵線端1處獲得電壓5V；若此時(shí)P3.1輸出低電平，Q2截止，則JDQ2的公共線端1與常閉觸點(diǎn)4連通，微型泵線端2處電壓為0，微型泵開始正轉(zhuǎn)。類似地，當(dāng)Q1截止而Q2導(dǎo)通時(shí)，微型泵反轉(zhuǎn)。當(dāng)Q1和Q2都截止或?qū)〞r(shí)，微型泵停轉(zhuǎn)。

圖2 微型泵給排水控制電路原理圖

五、結(jié)論

根據(jù)上述方案及方法，實(shí)現(xiàn)了恒液位霧化器樣機(jī)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的恒液位持續(xù)霧化，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 高祥，蔡樂才.智能醫(yī)用超聲波霧化器的設(shè)計(jì)[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010（8）

[2] 胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社， 2010

[3] HC-SR04超聲波測(cè)距模塊說明書， http：//xycsensor.cn.alibaba.com， 2011