便攜式變壓吸附制氧機控制系統(tǒng)設(shè)計

劉志猛，陳 平，詹寧波，高 磊，楊 坤*，朱孟府*

（1.解放軍總醫(yī)院第五醫(yī)學(xué)中心醫(yī)學(xué)工程科，北京 100039；2.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院衛(wèi)勤保障技術(shù)研究所，天津 300161）

0 引言

氧氣是人類活動必需的物質(zhì)，是人類生命的基本要素[1]。制氧設(shè)備是重要的醫(yī)療技術(shù)保障設(shè)備，也是戰(zhàn)傷救治的重要裝備[2]。變壓吸附法制氧由于能耗低、無污染以及投資少等特點，自20世紀(jì)60年代以來在中小型制氧設(shè)備中廣泛應(yīng)用[3-4]。變壓吸附法制氧的原理是：由于分子篩對氧和氮的吸附能力的差異，在加壓條件下吸附氮氣，分離出氧氣；在減壓下脫附氮氣以再生分子篩，從而分離空氣中的氧和氮[5-7]。目前的變壓吸附制氧設(shè)備體積、質(zhì)量都較大，不適合野外或車載便攜使用。便攜式變壓吸附制氧機一般指能夠便攜使用、自備電源且質(zhì)量較輕的變壓吸附制氧設(shè)備，而國內(nèi)目前對便攜式變壓吸附制氧機的研究較少，且其控制系統(tǒng)體積大、自動化程度低、穩(wěn)定性差[5，8]。因此本研究結(jié)合變壓吸附制氧的工藝流程，開發(fā)設(shè)計了便攜式變壓吸附制氧機的控制系統(tǒng)，從而為便攜式制氧機的深入研究提供技術(shù)支持。

1 變壓吸附制氧工藝流程

為研制便攜式變壓吸附制氧機，結(jié)合變壓吸附制氧的原理，首先確定了變壓吸附制氧的工藝流程，如圖1所示。為降低便攜式變壓吸附制氧機的體積和質(zhì)量，本實驗采用兩塔制氧工藝。兩塔變壓吸附制氧工藝具有結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、成本低廉等優(yōu)點，2個吸附塔交替循環(huán)，可實現(xiàn)連續(xù)不間斷制氧，還能有效降低制氧機的體積和質(zhì)量[9-10]。同時，為提高產(chǎn)氧體積分?jǐn)?shù)、降低能耗，本實驗采用具有均壓工藝的實驗流程[11]。

圖1 便攜式變壓吸附制氧工藝流程

2 硬件設(shè)計

便攜式變壓吸附制氧機的控制系統(tǒng)以C8051F310單片機為控制核心。C8051F系列單片機是美國Silicon Labs公司生產(chǎn)的新一代單片機，具有高速指令處理能力，增加了中斷源和復(fù)位源，同時完全兼容MCS-51指令集，對其進行軟件開發(fā)十分方便[12-14]。控制系統(tǒng)涉及的外圍電路主要有電源電路、負(fù)載驅(qū)動電路、空氣壓縮機驅(qū)動電路等，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 電源電路設(shè)計

便攜式變壓吸附制氧機的空氣壓縮機和電磁閥采用DC 12 V供電，而C8051F310單片機工作電壓為DC 3.3 V，因此首先設(shè)計電源轉(zhuǎn)換電路，采用7805芯片將DC 12 V降壓至DC 5 V，再采用AS117芯片將電壓降至3.3 V，供單片機使用。具體電源轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 電源轉(zhuǎn)換電路原理圖

2.2 負(fù)載驅(qū)動電路設(shè)計

便攜式變壓吸附制氧機的主要工作負(fù)載為空氣壓縮機和電磁閥。組合電磁閥有效降低了制氧機的體積和質(zhì)量，同時增加了制氧機的穩(wěn)定性。由于空氣壓縮機和電磁閥的工作電壓為DC 12 V，單片機工作電壓為DC 3.3 V，不足以驅(qū)動空氣壓縮機和電磁閥。因此單片機輸出信號由74LVC04逆變器和達林頓管ULN2003放大，驅(qū)動空氣壓縮機和電磁閥。ULN2003是一種復(fù)合晶體管陣列，具有耐高溫高壓、帶負(fù)載能力強等優(yōu)點，而且集成有續(xù)流二極管，可直接驅(qū)動繼電器等大電流的負(fù)載?？諝鈮嚎s機及電磁閥的驅(qū)動電路原理圖如圖4所示。

圖4 負(fù)載驅(qū)動電路原理圖

2.3 空氣壓縮機驅(qū)動電路設(shè)計

空氣壓縮機是便攜式變壓吸附制氧機的核心動力元件，它將周圍空氣吸入壓縮機內(nèi)部，空氣經(jīng)壓縮后進入吸附塔中，是制氧的關(guān)鍵。本制氧系統(tǒng)選用Thomas微型無刷直流壓縮機，具有運行平穩(wěn)、流量大、振動小、噪聲和能耗低等特點。無刷直流電動機需有專用的無刷直流驅(qū)動電路控制電子換向器才能工作，因此設(shè)計了以JY01為核心的電動機驅(qū)動電路，其原理示意圖如圖5所示。JY01是驅(qū)動直流無刷電動機的專用控制芯片，具有速度線性調(diào)節(jié)功能和過流、欠壓、短路保護的能力。其中MA、MB、MC上下臂的輸出驅(qū)動信號分別由 AT、AB，BT、BB，CT、CB表示，霍爾轉(zhuǎn)子的位置信號由Ha、Hb、Hc表示，JY01發(fā)出正弦脈寬調(diào)制（sinusoidal pulse width modulation，SPWM）信號，通過 IR2021 驅(qū)動上下橋臂場效應(yīng)管控制空氣壓縮機的轉(zhuǎn)速。

3 軟件設(shè)計

影響變壓吸附制氧的主要因素有吸附劑性能、吸附塔高徑比、吸附壓力、解吸壓力、反吹壓力等。本實驗工藝流程的吸附塔尺寸及吸附劑的選型都已定型，通過單片機程序控制電磁閥的開閉來控制吸附時間、解吸時間、均壓時間等操作參數(shù)進而控制吸附壓力和解吸壓力等實驗參數(shù)，從而得到最佳的制氧參數(shù)。制氧機主控制流程如圖6所示。

圖5 無刷電動機驅(qū)動電路原理示意圖

系統(tǒng)初始化完畢后進入待機狀態(tài)，當(dāng)檢測到開機指令時，制氧系統(tǒng)的空氣壓縮機、電磁閥等開始運行，發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）面板顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)。單片機控制吸附塔A開啟進氣閥門，對吸附塔A進氣加壓，吸附氮氣，分離出氧氣；當(dāng)吸附塔A的壓力達到飽和吸附壓力后，切換開啟吸附塔B的電磁閥，吸附塔A解吸出氮氣，開始循環(huán)進行加壓吸附、降壓解吸及均壓的過程，實現(xiàn)連續(xù)不間斷產(chǎn)氧。當(dāng)檢測到停止信號時，則停止制氧。

圖6 制氧機主控制程序流程圖

4 實驗驗證

完成控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計后，進行制氧系統(tǒng)的整機調(diào)試。制氧系統(tǒng)為雙塔模式，通過修改控制程序的參數(shù)即可控制吸附塔A和吸附塔B的吸附時間和均壓時間，進而控制吸附塔的吸附壓力和解吸壓力。通過改變吸附時間和均壓時間的控制參數(shù)，測得不同產(chǎn)氧流量下（0.8～1.8 L/min）的氧氣體積分?jǐn)?shù)，具體實驗結(jié)果如圖7、8所示。由變壓吸附制氧原理可知，產(chǎn)氧流量越低，則吸附塔內(nèi)壓力越高，因此氧氣體積分?jǐn)?shù)越高。實驗測得，當(dāng)產(chǎn)氧流量為1.0 L/min時，氧氣體積分?jǐn)?shù)最高可達91.49%，符合設(shè)計要求。本研究設(shè)計的控制系統(tǒng)簡單方便，經(jīng)過長時間測試，制氧系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，在保證產(chǎn)氧體積分?jǐn)?shù)的前提下，實現(xiàn)了便攜式變壓吸附制氧機的連續(xù)不間斷運行。

5 結(jié)語

圖7 吸附時間對氧氣體積分?jǐn)?shù)的影響

圖8 均壓時間對氧氣體積分?jǐn)?shù)的影響

本文基于變壓吸附制氧原理，設(shè)計以C8051F310單片機為控制核心的便攜式變壓吸附制氧機控制系統(tǒng)，并設(shè)計了外圍控制電路和控制程序，整個控制系統(tǒng)具有簡單方便、穩(wěn)定可靠、人機界面交互良好等優(yōu)點。在控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上研制的制氧樣機體積小、質(zhì)量輕，當(dāng)產(chǎn)氧流量為1.0 L/min時，氧氣體積分?jǐn)?shù)最高可達91.49%，達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。下一步，擬研究制氧系統(tǒng)的智能控制，通過控制壓縮機轉(zhuǎn)速、均壓時間及吸附時間等參數(shù)，實現(xiàn)制氧機的產(chǎn)氧流量及體積分?jǐn)?shù)隨海拔高度的自動調(diào)節(jié)并保持相對穩(wěn)定。