醫(yī)用超聲霧化器控制電路的設(shè)計(jì)

楊志友

安徽中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院 （安徽合肥 230000）

近年來(lái)，隨著超聲技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)用超聲霧化器被廣泛用于慢性支氣管炎、支氣管擴(kuò)張、哮喘、咽喉炎、鼻炎、肺部感染等呼吸道疾病的治療及家庭保健中。該設(shè)備可將藥液霧化成微小顆粒，使其通過(guò)呼吸吸入的方式進(jìn)入呼吸道和肺部沉積，從而達(dá)到無(wú)痛及有效治療的目的[1]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外都對(duì)醫(yī)用霧化器進(jìn)行了更新與改良，設(shè)計(jì)出了醫(yī)用超聲霧化器和壓縮霧化器。其中，醫(yī)用超聲霧化器已被廣泛應(yīng)用于臨床，其由外殼（多由塑料組成，在霧化出口設(shè)有風(fēng)量調(diào)節(jié)旋鈕，面板上有定時(shí)器、電源開(kāi)關(guān)、霧量調(diào)節(jié)旋鈕、電源和輸出指示燈等）、底座、電源變壓器、風(fēng)扇電機(jī)、換能片、儲(chǔ)藥罐、塑料螺紋管、口含管等組成[2]。霧化器可通過(guò)換能器耦合產(chǎn)生高頻振蕩，并由晶片產(chǎn)生1.7 M 超聲波振蕩輸出，電路多采用單管式輸出，有的采用雙管式輸出。超聲波以水為介質(zhì)，通過(guò)水槽底的諧振發(fā)射窗使藥杯中的水溶性藥物霧化成微細(xì)的霧粒，然后由送風(fēng)機(jī)將藥?kù)F通過(guò)螺紋管輸送給患者進(jìn)行吸入治療，以達(dá)到霧化的效果。我們可控制霧化器的具體治療時(shí)間（10～60 min），手動(dòng)調(diào)節(jié)霧量。

目前，醫(yī)用超聲霧化器的種類繁多，但智能定時(shí)霧化器并不多?；诖?，本課題通過(guò)由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器和STC89C51單片機(jī)的結(jié)合，設(shè)計(jì)出了醫(yī)用超聲霧化器的智能定時(shí)控制電路。

1 工作原理及元件介紹

1.1 工作原理

本課題主要采用由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器和STC89C51單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)智能定時(shí)控制電路，通過(guò)555定時(shí)器組成多諧振蕩器產(chǎn)生矩形脈沖信號(hào)，用滑動(dòng)變阻器來(lái)改變矩形脈沖的占空比，然后將矩形脈沖信號(hào)輸入STC89C51單片機(jī)中，通過(guò)單片機(jī)的計(jì)數(shù)功能對(duì)外部輸入的矩形脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能定時(shí)。

因此，本課題將硬件與軟件結(jié)合，提高了定時(shí)控制電路的穩(wěn)定性，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器吸合與斷開(kāi)的控制，從而達(dá)到控制醫(yī)用超聲霧化器工作的目的。

1.2 元件介紹

1.2.1 STC89C51單片機(jī)

（1）基本組成：STC89C51單片機(jī)主要由中央處理單元、片內(nèi)4K 程序存儲(chǔ)器、隨機(jī)存取器、并行輸入/輸出口、串行輸入/輸出口、兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、時(shí)鐘電路和中斷系統(tǒng)組成[3]。（2）時(shí)鐘電路與復(fù)位電路：時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生STC89C51單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)；RST 引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端，為了實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，必須使RST 引腳上至少保持2個(gè)機(jī)器周期的高電平，再?gòu)母唠娖阶兂傻碗娖酵瓿蓮?fù)位，其中復(fù)位電路的復(fù)位操作包含上電復(fù)位、按鍵電平復(fù)位和外部脈沖復(fù)位3種。

1.2.2 555定時(shí)器

（1）工作原理：555定時(shí)器的5引腳經(jīng)0.01 μF 電容接地，高電壓比較器C1的同相比較端和低電平比較器C2的反相比較端的參考電平為2/3Vcc 與1/3Vcc，當(dāng)閾值輸入端TH 的電壓大于2/3Vcc，同時(shí)觸發(fā)輸入端TR 大于1/3Vcc 時(shí)，比較器C1輸出低電平，比較器C2輸出高電平，基本RS 觸發(fā)器置0，G3輸出高電平，放電二極管TD 導(dǎo)通，定時(shí)器輸出低電平；當(dāng)閾值輸入端TH 的電壓小于2/3Vcc，同時(shí)觸發(fā)輸入端TR 大于1/3Vcc 時(shí)，比較器C1輸出高電平，比較器C2輸出高電平，基本RS 觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變，555定時(shí)器輸出狀態(tài)保持不變；當(dāng)閾值輸入端TH 的電壓大于2/3Vcc，同時(shí)觸發(fā)輸入端TR 小于1/3Vcc 時(shí)，比較器C1輸出低電平，比較器C2輸出低電平，基本RS 觸發(fā)器兩端都被置1，G3輸出低電平，放電二極管TD 截止，定時(shí)器輸出高電平；當(dāng)閾值輸入端TH 的電壓小于2/3Vcc，同時(shí)觸發(fā)輸入端TR 小于1/3Vcc 時(shí)，比較器C1輸出高電平，比較器C2輸出低電平，基本RS 觸發(fā)器置1，G3輸出低電平，放電二極管TD 截止，定時(shí)器輸出高電平[4]。（2）由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器：由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，由圖分析，555定時(shí)器在接通電源后，Vcc 通過(guò)R1、R2對(duì)電容C 充電，由于剛接通電容瞬間，電容C 來(lái)不及充電，電容器兩端電壓UC為低電平，小于1/3Vcc，故高電平觸發(fā)端與低電平觸發(fā)端均為低電平，輸出U0為1，放電管T 截止；當(dāng)電容C 被充電達(dá)到UC大于2/3Vcc 時(shí)，高電平觸發(fā)端與低電平觸發(fā)端均為高電平，輸出U0翻轉(zhuǎn)為0，放電管T 導(dǎo)通，此時(shí)電容C 開(kāi)始通過(guò)R2和T 放電，使UC按指數(shù)曲線下降；當(dāng)UC介于1/3Vcc 到2/3Vcc 之間時(shí)，高電平觸發(fā)端為低電平，低電平觸發(fā)端為高電平，輸出維持為0，電容C 繼續(xù)放電；直到UC再次小于1/3Vcc 時(shí)，高電平觸發(fā)端與低電平觸發(fā)端均為低電平，輸出U0又翻轉(zhuǎn)為1，放電管T 截止，電容C 又開(kāi)始充電，周而復(fù)始振蕩，輸出U0為矩形波[充電時(shí)間T1=（R1+R2）Cln2；發(fā)電時(shí)間T2= R2Cln2；電路的振蕩周期T=T1+T2=（R1+2R2）Cln2 ；振蕩頻率f=1/T=1/（R1+2R2）Cln2[5]]。

2 課題設(shè)計(jì)

2.1 醫(yī)用超聲霧化器控制電路的整體結(jié)構(gòu)

在本課題中，醫(yī)用超聲霧化器控制電路共由兩部分構(gòu)成。其中，第一部分是由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器電路，該電路的功能是產(chǎn)生矩形脈沖信號(hào)，通過(guò)電位器來(lái)改變脈沖信號(hào)的占空比，從而改變定時(shí)時(shí)間；第二部分是STC89C51單片機(jī)定時(shí)電路，該電路的功能是通過(guò)采用STC89C51單片機(jī)編程對(duì)由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器所產(chǎn)生的矩形脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，達(dá)到定時(shí)的功能[6]。

圖1 由555 定時(shí)器組成的多諧振蕩器

2.2 醫(yī)用超聲霧化器控制電路的電源電路和信號(hào)產(chǎn)生電路

電源電路和信號(hào)產(chǎn)生電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，由圖分析，電源電路是220 V 交流電經(jīng)變壓器變壓后降為12 V，再通過(guò)橋式濾波整流和L7812CV 穩(wěn)壓管及L7805CV 穩(wěn)壓管兩級(jí)穩(wěn)壓之后穩(wěn)定為+5 V 電壓，為555定時(shí)器和STC89C51單片機(jī)提供電壓；信號(hào)產(chǎn)生電路主要是由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生的矩形脈沖信號(hào)，矩形周期T=T1+T2=（R1+2R2）Cln2。

本設(shè)計(jì)是由信號(hào)產(chǎn)生電路和STC89C51單片機(jī)的最小系統(tǒng)構(gòu)成，由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生周期T=（R1+2R2）Cln2，將R1、R2和C 的數(shù)值帶入公式中，周期T約等于10 s，再將上述矩形脈沖信號(hào)輸入STC89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)的P3.4引腳，通過(guò)程序編程對(duì)輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)數(shù)值為60個(gè)，即定時(shí)10 min[7]。我們可以通過(guò)改變多諧振蕩器上的電位器數(shù)值，從而改變周期T 的值，達(dá)到改變定時(shí)時(shí)間的目的。

圖2 控制電路的電源電路和信號(hào)產(chǎn)生電路的原理

2.3 STC89C51單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)

STC89C51單片機(jī)的主程序流程[8]見(jiàn)圖3，解讀如下：STC89C51單片機(jī)在本課題中的主要作用是對(duì)由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，首先對(duì)STC89C51單片機(jī)的參數(shù)進(jìn)行初始化，將輸出引腳設(shè)置為高電平，即在無(wú)輸入信號(hào)前控制電路不工作；將狀態(tài)標(biāo)志位設(shè)為1，TMOD 為工作方式控制寄存器，將其設(shè)置為0X05，即將STC89C51單片機(jī)設(shè)置為計(jì)數(shù)模式，計(jì)數(shù)器選擇T0，其由TR0控制，T0計(jì)數(shù)器工作在工作方式1，將計(jì)數(shù)器的初值0XFF、0X10分別送入計(jì)數(shù)器的高八位和低八位，將TR0設(shè)為1，計(jì)數(shù)器T0開(kāi)始工作；將ET0設(shè)置為1，關(guān)中斷；將EX0、EX1均設(shè)置為1，即外部中斷0和1只受用戶控制；在中斷允許寄存器中出現(xiàn)的EA 是中斷的一個(gè)控制位，EA=0表示所有中斷請(qǐng)求被禁止，若EA=1，則是否允許中斷由各個(gè)中斷控制位決定（在本課題中，將EA 設(shè)置為1，即是否允許中斷由各個(gè)中斷控制位決定）；本課題需要計(jì)數(shù)60個(gè)脈沖，當(dāng)一個(gè)信號(hào)源產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)入STC89C51單片機(jī)時(shí)，先判斷其高低電平，當(dāng)輸入為高電平時(shí)輸出為低電平，計(jì)數(shù)加1，當(dāng)輸入為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)亦加1，然后再判斷計(jì)數(shù)是否達(dá)到60個(gè)脈沖，達(dá)到即進(jìn)入中斷程序，未達(dá)到則返回判斷高低電平程序，直到脈沖計(jì)數(shù)達(dá)到60，程序中斷。

圖3 STC89C51 單片機(jī)的主程序流程

3 實(shí)物展示

圖4 醫(yī)用超聲霧化器控制電路實(shí)物圖

醫(yī)用超聲霧化器工作電路的模擬電路是用蜂鳴器響的次數(shù)來(lái)代替時(shí)間倒計(jì)時(shí)，實(shí)物見(jiàn)圖4。綜上所述，將由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器和STC89C51單片機(jī)結(jié)合，可以設(shè)計(jì)出精準(zhǔn)控制霧化時(shí)間的醫(yī)用超聲霧化器控制電路。與傳統(tǒng)的霧化器比較，本課題的控制電路將硬件與軟件結(jié)合，提高了設(shè)備工作的穩(wěn)定性，且降低了成本，可被應(yīng)用于臨床，以便提高醫(yī)師的工作效率及患者滿意度。