小型醫(yī)用空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：小型醫(yī)用空氣壓縮機(jī)重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有極強(qiáng)的移動(dòng)性和適應(yīng)性，主要用于氣源裝置之中，將原動(dòng)機(jī)的動(dòng)力能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w壓力能，針對(duì)當(dāng)前的小型空氣壓縮機(jī)依賴機(jī)械方式調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，無(wú)法連續(xù)調(diào)節(jié)供氣量，導(dǎo)致供氣壓力出現(xiàn)較大的波動(dòng)，為此，本文提出一種以單片機(jī)、智能控制技術(shù)為主體的智能化小型醫(yī)用空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)，進(jìn)行小型醫(yī)用空氣壓縮機(jī)軟硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：小型醫(yī)用空氣壓縮機(jī);控制系統(tǒng);結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)

空氣壓縮機(jī)是空分設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)備，用于壓縮并運(yùn)送空氣，本文設(shè)計(jì)一種智能化的小型醫(yī)用空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)，以C8051F340為核心芯片、外加電能芯片CS5463和溫度芯片DS18B20，測(cè)量電機(jī)的電壓、電流和溫度值，由外加濕度傳感器DHT11采集空氣的濕度值，由外加壓力傳感器采集并輸出壓力，較好地滿足使用要求。

1 小型醫(yī)用空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)總述

小型醫(yī)用空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括電動(dòng)機(jī)、壓縮泵、儲(chǔ)氣罐、輸出閥等構(gòu)件，采用模塊化理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)內(nèi)置處理器模塊、電機(jī)模塊、溫度濕度模塊、壓力模塊、其他功能模塊，各系統(tǒng)功能主要包括以下內(nèi)容：（1）單片機(jī)控制電路。該單元涵蓋有CPU模塊和I/O模塊，進(jìn)行測(cè)量結(jié)果的處理及輸入輸出串口的控制。（2）電壓電流模塊。當(dāng)電壓低于AC198V時(shí)報(bào)警，低于AC195V時(shí)強(qiáng)制切斷電源。（3）濕度模塊。顯示系統(tǒng)當(dāng)前濕度值。（4）溫度模塊。當(dāng)溫度高于70℃時(shí)報(bào)警，高于80℃時(shí)強(qiáng)制切斷電源。（5）壓力模塊。設(shè)置空壓機(jī)自啟壓力，在儲(chǔ)氣罐壓力低于該值時(shí)啟動(dòng)壓縮機(jī)。（6）排水模塊。開機(jī)狀態(tài)下間隔2小時(shí)打開一次排水電磁閥，持續(xù)時(shí)間為2s。（7）觸摸屏彩色液晶顯示器。進(jìn)行溫度、濕度、電壓的控制界面按鍵操作，輸入測(cè)量過(guò)程啟動(dòng)及中斷等指令，并進(jìn)行測(cè)量結(jié)果的存儲(chǔ)、查詢、處理和輸出。

2 小型醫(yī)用空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 處理器模塊

系統(tǒng)采用C8051F340單片機(jī)作為主控制器，內(nèi)置流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的微控制器內(nèi)核，采用全速、非侵入式的在線系統(tǒng)調(diào)試接口，設(shè)計(jì)有USB功能控制器、集成收發(fā)器、FIFO RAM、單端/差分ADC、電壓基準(zhǔn)和溫度傳感器、電壓比較器、內(nèi)部振蕩器、FLASH存儲(chǔ)器等，完成各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集、測(cè)算和通信。在C8051F340單片機(jī)之中，設(shè)置有與8051完全兼容的CIP51微控制內(nèi)核，有標(biāo)準(zhǔn)的8051程序和數(shù)據(jù)地址配置，使用芯片內(nèi)部振蕩器提供系統(tǒng)時(shí)鐘。設(shè)計(jì)有5個(gè)I/O引腳作為模擬輸入，其余35個(gè)引腳作為數(shù)字I/O引腳，并選擇UART0和UART1實(shí)現(xiàn)串口通信，用于幀錯(cuò)誤檢測(cè)和地址識(shí)別硬件。C8051F340內(nèi)部還設(shè)置有10位ADC和一個(gè)差分輸入多路選擇器，其子系統(tǒng)集成有兩個(gè)通道模擬多路選擇器和一個(gè)10位逐次帶近寄存器型ADC[1]。

2.2 電動(dòng)機(jī)供電模塊

系統(tǒng)采用CS5463測(cè)量空氣壓縮機(jī)的電壓和電流，利用分壓電阻器或電壓互感器測(cè)量電壓，利用分流器或電流互感器測(cè)量電流，進(jìn)行有功功率、無(wú)功功率的參數(shù)計(jì)算。同時(shí)，模塊內(nèi)設(shè)溫度傳感器，進(jìn)行溫度漂移誤差的合理調(diào)整，有效提高測(cè)量精度。選取10X可編程增益放大器實(shí)現(xiàn)增益，并選取150kΩ的電阻對(duì)作為串聯(lián)電阻對(duì)。

2.3 溫度/濕度模塊

系統(tǒng)選取最新單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為溫度模塊，體現(xiàn)出其高集成度、高精準(zhǔn)度、高可靠性的特點(diǎn)。該模塊采用獨(dú)特的單線總線接口方式，支持多點(diǎn)組網(wǎng)，通過(guò)編程設(shè)定對(duì)應(yīng)的分辨率，具有極快的轉(zhuǎn)換速度和抗干擾糾錯(cuò)能力。濕度模塊采用DHT11測(cè)量空氣壓縮機(jī)內(nèi)的濕度，利用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，進(jìn)行全量程標(biāo)定校準(zhǔn)和單線數(shù)字輸出，濕度測(cè)量范圍為20%90%RH，精度為±5.0%RH;溫度測(cè)量范圍為0+50℃，精度為±1.0℃。

2.4 壓力模塊

本系統(tǒng)采用金屬電阻進(jìn)行壓力信號(hào)的采集，通過(guò)內(nèi)置的兩個(gè)壓力傳感器測(cè)量罐內(nèi)壓力和調(diào)壓閥后續(xù)的輸出管路內(nèi)的壓力。同時(shí)，在進(jìn)行輸出閥后續(xù)的輸出管路內(nèi)的壓力調(diào)節(jié)時(shí)，可以采用將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€位移或角位移的步進(jìn)電機(jī)，如：混合式步進(jìn)電機(jī)17H18504A2，通過(guò)定子和轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度的高精度控制。

2.5 通信模塊

系統(tǒng)采用MAX3232E電平轉(zhuǎn)換芯片，進(jìn)行單片機(jī)與微型計(jì)算機(jī)的通信以及單片機(jī)遠(yuǎn)程通信，在通信模塊中的LCD顯示部分主要采用液晶觸摸屏顯示模塊DMT80480C050。

2.6 其他輔助模塊

系統(tǒng)數(shù)字部分供電采用+5V電源線輸入供電，模擬部分供電采用TC7660電壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行供電。排水部分則選用放水閥固態(tài)繼電器，通過(guò)控制電磁閥的通斷方式進(jìn)行排水。報(bào)警部分則選取7407驅(qū)動(dòng)器和揚(yáng)聲器，進(jìn)行系統(tǒng)初始化時(shí)，要預(yù)設(shè)溫度及壓力的上、下限溫度，將測(cè)定數(shù)據(jù)與設(shè)定值比對(duì)，對(duì)于超出或低于閾值的情形則啟動(dòng)報(bào)警功能。

3 小型醫(yī)用空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 電壓電流模塊的軟件設(shè)計(jì)

進(jìn)行CS5463的初始化操作，設(shè)置工作模式進(jìn)行讀寫控制，在啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換的前提下，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、處理、存儲(chǔ)和顯示，并采用C程序語(yǔ)言進(jìn)行編寫，體現(xiàn)出模塊化和邏輯性的特點(diǎn)。

3.2 溫度/濕度模塊的軟件設(shè)計(jì)

基于DS18B20通訊協(xié)議，進(jìn)行該模塊的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，結(jié)合不同轉(zhuǎn)換精度選擇適宜的轉(zhuǎn)換時(shí)間，并讀取溫度數(shù)據(jù)，顯示相關(guān)參數(shù)。濕度模塊軟件結(jié)構(gòu)主要包括DHT11的初始化以及數(shù)據(jù)的讀取、顯示等。

3.3 壓力模塊的軟件設(shè)計(jì)

該模塊的軟件設(shè)計(jì)包括以下主要配置：模擬多路選擇器、ADC0CN：ADC0控制寄存器、REFOCN：電壓基準(zhǔn)控制寄存器[2]。

4 小結(jié)

總之，小型醫(yī)用空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)理念進(jìn)行總體設(shè)計(jì)和軟硬件設(shè)計(jì)，后續(xù)還要進(jìn)一步對(duì)壓縮機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，不斷提升小型醫(yī)用空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的使用性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]賴?yán)蚍?，曹?yáng)，舒六一，劉方，馬洋，韓志海.醫(yī)用壓縮空氣系統(tǒng)對(duì)呼吸機(jī)應(yīng)用安全的影響因素及應(yīng)對(duì)措施[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備，2015（10）.

[2]蔣丹，單明.淺談醫(yī)用壓縮空氣系統(tǒng)及應(yīng)用[J].醫(yī)療裝備，2012（12）.

作者簡(jiǎn)介：周宗海（1987），男，漢族，安徽安慶人，本科，助理工程師，目前從事醫(yī)療器械設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。