基于單片機的家用制氧機電控系統優化設計

周傳運，李漢挺，孟凡文

（1.濟寧職業技術學院 電子信息工程系，山東 濟寧 272037；2.濟寧職業技術學院 機電工程系，山東 濟寧 272037）

0 引 言

家用制氧機多通過變壓吸附式（PSA）的方式制取高濃度的氧氣［1］，其基本結構包括氣路系統和電氣控制系統。電氣控制系統的主要任務是控制壓縮機和電磁閥，以及為實現操作的方便性而增設的LED或LCD指示電路。張萬林等［2］提出用光電耦合器驅動固態繼電器從而驅動電磁閥的方案，用光電二極管指示燈顯示機器的運行狀態。由于采用了固態繼電器，其設計較高。沈克宇等［3］在移動式制氧機一文中提出壓縮機采用無刷直流電機、指示電路采用觸摸屏的方案，同時加裝氧濃度傳感器。這種設計在功耗、噪音、操作的方便性等方面上具有優勢，較適合于高端機。當前，采用一級提取的方式，使氧濃度達到95%及以上，現有的PSA技術很難達到［4］。馮念倫等［5］指出了PSA技術的3個發展方向:即提升分子篩性能、改進吸附流程、優化電控系統。在這些方面有所突破的話，有可能使出氧濃度進一步提升。

本研究在綜合考慮各種文獻提出的方案基礎上，并經過市場調研提出用達林頓管直接驅動電磁閥、壓縮機采用繼電器控制和用LCD作為顯示界面的設計方案。整個設計充分體現功能可靠、設計簡潔、成本較低的特點。

1 硬件系統設計

1.1 電源系統

電源系統的組成如圖1所示。

圖1 電源系統

出于成本控制的需要，本研究采用一進二出的變壓器，原邊電源為220 V，副邊分別為AC8.5 V、14 V，經整流濾波穩壓后為DC5 V、12 V。DC5 V電源供給上、下位單片機、六反相器、液晶顯示器使用，DC12 V電源提供給壓縮機繼電器、蜂鳴器和功率驅動管ULN2003使用［6］。由于DC12 V電源直接推動兩個電磁閥的動作，負荷較重，穩壓塊MC7812須選用額定輸出電流較大的規格，最好能達到1 A。

1.2 壓縮機和電磁閥控制系統

該系統集成在下位機電路板上，下位機系統如圖2所示。

圖2 下位機系統

從控制的方便性考慮，本研究選用宏晶電子的STC12C2052作為控制芯片［7］。該芯片超小封裝，僅20個管腳，時鐘周期等于機器周期，而且功耗非常低，正常工作時為7 mA。家用制氧機的出氧量一般控制在5 L/min以內，采用的無油壓縮機的輸入電功率多在300 W以下。從制氧機原理圖中可以看出，系統需要兩個電磁閥，每個電磁閥均采用制氧機專用的DC12 V/3 W規格。STC12C2052輸出信號進入CD40106B六反相施密特觸發器，由觸發器對控制信號進行緩沖整形，調理后的信號直接輸入到功率驅動元件ULN2003。該芯片每個管腳的灌流電流可達300 mA，可直接用來驅動繼電器和電磁閥。繼電器采用DC12 V/8 A規格，圖2中，CON4接口在電路板覆銅時1、4相連，2、3相連，確保壓縮機可靠運行。圖2中CON3接口的3、4端和5、6端分別接兩個電磁閥。基于運行的可靠性，使ULN2003的兩個管腳并聯后驅動一個電磁閥，其灌流電流達600 mA，大于電磁閥的工作電流。CON3接口的1、2端接排水電磁閥，用于每次制氧結束后排出管路中的凝結水。

1.3 顯示和操作系統

該系統集中在上位機電路板中，上位機系統如圖3所示。

圖3 上位機系統

上位機采用的芯片為89C52［8］，主要功能為處理手動操作指令、驅動LCD顯示。LCD使用接口為16位并口8080時序的12864規格顯示屏，用于顯示生產商、開關機等信息。CON2的1～8為數據接口，9腳為電源，10腳接地，11腳背光顯示調節，12～16為功能引腳。手動操作指令通過復合功能按鍵S1、S2、S3來實現。S1為強制中斷按鍵，按下S1后，通過S2、S3配合調節下位機電磁閥通斷電時間，從而調節吸附塔內的壓力，間接調節出氧濃度；再次按下S1，即退出壓力調節模式進入正常工作模式。在正常工作模式下，S2為開關機按鍵、S3為工作時間設定按鍵。

1.4 上下位機通訊系統

上、下位機采用串行通訊，圖3顯示，CON1為通訊接口，同時上位機需用的DC5 V電源通過此接口采集，因為DC12 V、DC5 V兩個電源均集成在下位機電路板中。下位機通過通訊接口采集上位機的開關機、電磁閥設定工作周期等指令信息，從而驅動壓縮機和電磁閥的工作。

2 程序設計

程序設計時要重點考慮兩電磁閥的工作周期和交錯時間。由于壓縮機連續運轉，一定要確保壓縮空氣順暢地進入到吸附塔。若氣路堵塞，將會使排氣壓力迅速升高，造成管路爆破事故。

A、B電磁閥的時序圖如圖4所示。

圖4 電磁閥時序

高電平表示電磁閥打開，壓縮機排氣管路通暢；低電平時電磁閥關閉，氣路阻塞。從圖4中可以看出，A閥關閉時，B閥已提前1.25 s打開；A閥打開時，B閥滯后1.25 s關閉，即每個閥都呈現出“提前打開、延遲關閉”的特點。該圖顯示每個閥的工作周期都是12.5 s。試驗結果表明，改變閥的工作周期即可改變出氧濃度，增大周期，出氧濃度增大，減小周期，氧氣濃度減少。合理控制電磁閥的工作周期，其出氧濃度可達90%以上，可達到醫用要求。規格不同的制氧機，其出氧濃度曲線也不同，需要通過多次試驗才能找出最佳的電磁閥通電周期。基于以上事實，在程序運行通過后，需反復調試電磁閥的工作周期。

整個系統的程序框圖如圖5所示［9-10］。圖5中提及的設置鍵即圖3中S1、開關鍵為S2、定時鍵為S3。

圖5 程序框圖

3 試驗結果

該產品完成后，筆者在本地企業生產的5 L/min制氧機上進行了測試。測試按照醫藥行業標準YY／T0298-1998《醫用分子篩制氧設備通用技術規范》所規定的項目逐項進行［11］。

3.1 環境測試

（1）低溫貯存試驗，斷電后將樣機放入-40℃的低溫箱中4 h后取出，在室溫環境中恢復4 h，再進行測試。

（2）高溫貯存試驗，斷電后將樣機放入55℃的老化車間4 h，在室溫環境中恢復4 h，再進行通電試機。

（3）額定高溫運行測試，在40℃的環境中，通電試機1 h。

機器在上述各類環境下測試均能正常工作。

3.2 氧濃度測試

前文已敘述，出氧濃度可改變電磁閥的交替工作時間進行調整。測試時本研究首先驗證出氧濃度的可調性，然后再依據技術規范設定氧濃度≥90%時設定電磁閥的轉換時間。測試方法為:在室溫環境下開機運行穩定后即用氧濃度測試儀在出氧口進行測試。兩者的關系如圖6所示，從圖6中可以看到在交替時間為7.5 s時出氧濃度即達到90%，再增大交替時間，其氧濃度變化很小，但整機功耗卻增加很多。一般把電磁閥的交替間隔設置為7 s～8 s較好。

圖6 電磁閥交替時間與出氧濃度關系

3.3 其他測試

本研究對通用技術規范要求的其他一系列指標分別進行了測試，均能達到預期效果。如:待機功耗≤2 W，整機連續運轉12 h性能穩定，短時間內多次開關機均能正常運行等。

4 結束語

本研究從軟、硬件兩個方面介紹了家用制氧機的電氣控制設計系統，以89C52和STC12C2052分別作為上下位機控制芯片，LCD作為人機對話的顯示界面，采用C語言編程。整個系統具有設計簡潔、運行可靠、成本較低的特點，能夠滿足企業的技術要求。該設計沒有設置壓力報警功能，生產企業在采用該方案時需要在壓縮機排氣口設置一機械式泄壓閥，以進一步提高使用的安全性。

隨著生活水平的提高，人們的保健意識逐漸增強，制氧機正逐步走向尋常百姓家，并成為家電電器，具有較大的市場空間。家用制氧機在產品外觀、操作方便、運行穩定、濃度可調等方面還有進一步提升的空間，這都是專業技術人員需要努力的方向。

（References）:

［1］畢光迎.醫用分子篩制氧機的應用研究［J］.醫療裝備，2009（9）:21-23.

［2］張萬林，葛立峰.基于單片機的制氧控制系統［J］.自動化與儀表，2007，22（5）:31-33.

［3］沈克宇，熊 偉，李志俊，等.移動式制氧設備控制系統設計［J］.湖南工業大學學報，2008，22（6）:68-71.

［4］吳 昊.變壓吸附制氧技術研究［D］.武漢:華中科技大學能源與動力工程學院，2008.

［5］馮念倫，夏文龍，孫鐵軍.醫用分子篩變壓吸附制氧技術的探討［J］.中國醫學裝備，2006，11（3）:39-41.

［6］宏晶科技有限公司.STC12C2052AD系列單片機器件手冊［M］.深圳:宏晶科技（深圳）有限公司，2005.

［7］南國國芯微電子有限公司.STC89C51RC/RD系列單片機器件手冊［M］.深圳:南國國芯微電子有限公司，2011.

［8］楊振江.單片機應用與實踐指導［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2010.

［9］武亞平.基于單片機技術研究DXD系列包裝機的控制系統［J］.包裝與食品機械，2013（2）:31-33.

［10］劉潤生，高文煥.電子線路基礎［M］.北京:高教出版社，1997.

［11］國家標準化管理委員會.YY/T0298-1998中國標準書號［S］.北京:中國標準出版社，1998.