淺談防霧霾輔助呼吸裝置設(shè)計

高 雪 孫 凱

（1.莒縣人民醫(yī)院，山東 日照 276500；2.日照市生態(tài)環(huán)境局莒縣分局，山東 日照 276500）

0 引言

眾所周知，近代以來現(xiàn)代工業(yè)高速發(fā)展，造成了今天的環(huán)境污染問題，尤其是經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的中國[1]。據(jù)世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計，每年有近1700 萬人因感染各種疾病而死亡，其中最嚴(yán)重的是呼吸道感染[2]。該研究設(shè)計的防霧霾輔助呼吸裝置用于小范圍的空氣凈化，使最終進(jìn)入人體的空氣較為清潔[3]。該研究將從防霧霾輔助呼吸裝置的電路組成、工作原理和實現(xiàn)方法等幾方面開展研究，其中研究的重點是其工作原理及電路的組成，研究的難點是電壓值的設(shè)置。

1 硬件電路的設(shè)計

1.1 防霧霾輔助呼吸裝置的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

電路結(jié)構(gòu)原理框圖（軟件結(jié)構(gòu)框圖）如圖1 所示。

防霧霾輔助呼吸裝置整個系統(tǒng)由9 個部分組成，包括電源電路、單片機(jī)電路、變壓器初級驅(qū)動電路、升壓變壓器、整流電路、電壓采集電路、A/D 轉(zhuǎn)換器、液晶顯示電路以及電壓控制電路[4-5]。1）電源電路。通過一個內(nèi)含8 節(jié)干電池的電池盒為電路提供5 V 和12 V 的電壓。2）單片機(jī)電路。是整個電路系統(tǒng)的控制中心，用于編程實現(xiàn)接收A/D 轉(zhuǎn)換后的信號并將其顯示在液晶顯示器上。同時，用編程實現(xiàn)脈沖信號的輸出，驅(qū)動變壓器初級。3）工作流程。單片機(jī)先將預(yù)設(shè)電壓顯示在液晶顯示器的第一行上，同時，由單片機(jī)輸出一個脈沖信號，該脈沖信號直接驅(qū)動MOS 管，由MOS 管將功率放大，再通過升壓變壓器將電壓進(jìn)一步放大，然后經(jīng)整流電路將交流電變?yōu)橹绷麟娊拥綐O板上。將整流電路輸出的高電壓用4 個10 M 和一個15 kΩ 的電阻進(jìn)行分壓，得到一個小于3 V 的電壓，該電壓經(jīng)過電壓采集電路輸入A/D 轉(zhuǎn)換器中，最后輸入單片機(jī)。

圖1 電路結(jié)構(gòu)原理框圖

1.2 單片機(jī)電路

1.2.1 STC89C51單片機(jī)簡介

STC89C51 單片機(jī)是一款基于8 位CPU 的具有計算和控制功能的集成芯片。其采用8051核的ISP（In-System Programming）系統(tǒng)可編程芯片，最高工作時鐘頻率可達(dá)80 MHz，片內(nèi)含有8 KBytes 的可反復(fù)擦寫1 000 次的Flash 只讀程序存儲器，器件兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51 指令系統(tǒng)及80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)部集成了通用8 位的CPU 和ISP Flash 存儲單元。

1.2.2 防霧霾輔助呼吸裝置的單片機(jī)電路原理圖

單片機(jī)電路原理圖如圖2 所示。

在防霧霾輔助呼吸裝置的單片機(jī)中，31 引腳和40 引腳接5 V 電源，20 引腳接地。18 引腳和19 引腳是時鐘接口，10 引腳和11 引腳是下載電路接口，9 引腳接復(fù)位電路。32 接口通過一個電阻接一個LED 燈并與5 V 電源連接，用于程序調(diào)試。1 引腳、2 引腳、3 引腳是數(shù)字信號輸入口，用于接收A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字電壓信號。4 引腳通過編程輸出一個矩形波，實現(xiàn)對初級輸入端的供電。6 引腳、7 引腳、8 引腳、21 引腳、22 引腳、23 引腳、24 引腳、25 引腳、26 引腳、27 引腳、28 引腳為LCD1602 的控制端。

1.3 變壓器初級驅(qū)動電路

如圖3 所示，變壓器初級驅(qū)動電路的三極管和MOS 管工作于開關(guān)狀態(tài)，其輸入端由單片機(jī)輸入一個占空比非常小的矩形波以驅(qū)動MOS 管，電容C18 起到隔直的作用，目的是防止單片機(jī)意外輸出連續(xù)直流電平時，導(dǎo)致MOS 管連續(xù)導(dǎo)通，從而損壞。當(dāng)輸入矩形波為高電平時，Q1、Q2 截止。當(dāng)輸入矩形波為低電平時，Q1、Q2 導(dǎo)通，且不需要調(diào)節(jié)其占空比，通過調(diào)節(jié)變壓器初級的供電電壓，即可調(diào)節(jié)次級輸出的電壓。CONDU1外接為高頻變壓器，當(dāng)高頻變壓器工作時，會產(chǎn)生非常大的電流，如果不及時放掉高頻變壓器產(chǎn)生的電流，MOS 就會燒掉，最終導(dǎo)致電路不能正常工作。所以為了避免該情況的發(fā)生，高頻變壓器必須工作在很短的時間，且必須能快速放掉產(chǎn)生的高電流。

圖2 單片機(jī)電路原理框圖

1.4 整流電路

這部分是整流3 倍電壓，將初級輸出電壓放大3 倍，但是實際效果沒有達(dá)到3 倍，包括升壓變壓器和整流電路。初級輸出的電壓經(jīng)過升壓變壓器得到靜電吸附所需的電壓值，然后經(jīng)過由3 個高壓二極管和3 個電容組成的整流電路將交流電變成3 倍壓的直流電，再接到正負(fù)極板。

1.5 電壓采集電路

整流電路后輸出的是一個高電壓，將該電壓經(jīng)過4 個10M的電阻進(jìn)行分壓得到一個小于3 V 的電壓，并輸入運算放大器內(nèi)放大2 倍，放大后輸入A/D 轉(zhuǎn)換器中。

2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 整體程序

先在單片機(jī)上復(fù)位后，將端口、LCD1602、定時器進(jìn)行初始化；再將設(shè)置的預(yù)設(shè)電壓值顯示在液晶顯示器的第一行上；接著由單片機(jī)輸出一個矩形脈沖給變壓器初級控制電路，該矩形脈沖信號經(jīng)過一系列電路處理后經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換器，由模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入單片機(jī)中，最后通過編程使其顯示在液晶顯示器的第二行上，從而完成整個程序的流程。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序

將采集到的模擬信號經(jīng)過TLC549 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。轉(zhuǎn)換過程為進(jìn)入程序后，首先將ADC_CS 置低，準(zhǔn)備開始讀取，循環(huán)讀取8 位數(shù)據(jù)，高位在前。然后，根據(jù)ADC_DATA_OUT 讀取當(dāng)前一位數(shù)據(jù)，再讓ADC_CLK 輸出一個高電平脈沖。最后，ADC_CS置高，關(guān)閉讀取，返回讀取結(jié)果。其轉(zhuǎn)換公式如下：

式中：Vin—模擬信號輸入，N—分辨率（位數(shù)），Vref—參考電壓，Vmin—最小電壓，Vmax—最大電壓。

2.3 液晶顯示子程序

首先，定義2 個字符數(shù)組x[]，y[]，用來存放顯示內(nèi)容。其次對LCD1602 端口進(jìn)行初始化。最后，調(diào)用顯示函數(shù)，將x 數(shù)組里的內(nèi)容顯示在液晶屏的第一行，y 數(shù)組顯示在液晶屏的第二行。

3 研究結(jié)果

3.1 防霧霾輔助呼吸裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖

防霧霾輔助呼吸裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖如圖4 所示。

圖3 變壓器初級驅(qū)動電路原理圖

3.2 功能簡介

接通電源后，單片機(jī)先將預(yù)設(shè)電壓顯示在液晶顯示器的第一行上，然后由單片機(jī)輸出一個矩形脈沖輸入變壓器初級驅(qū)動電路中，經(jīng)過升壓變壓器、整流電路輸出一個1 800 V 左右的電壓接在正負(fù)極板上。同時，該電壓經(jīng)過電壓采集電路得到一個小于3 V 的電壓，將該電壓輸入A/D 轉(zhuǎn)換器后，輸入單片機(jī)中，最后顯示在液晶顯示器的第二行上。

圖4 防霧霾輔助呼吸裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖

3.3 調(diào)試體會

在完成該設(shè)計的過程中，遇到的主要問題和解決方法包括以下3 個。1）LCD1602 液晶顯示問題：正確連接LCD1602 硬件電路，下載程序，發(fā)現(xiàn)LCD1602 不顯示，后來發(fā)現(xiàn)，LCD1602 管腳3 接的電阻較大，導(dǎo)致對比度不合適，最后換成了1 kΩ 的電阻，問題得到解決。2）變壓器初級驅(qū)動電路的問題：圖3 電路中的高頻變壓器CONDU1 的3、4 端口總是得不到正確的波形，以至于不能正常驅(qū)動高頻變壓器，導(dǎo)致電路工作不正常。最后，在避免用手接觸MOS 管的情況下，用鑷子把MOS 管焊上，問題得到解決。

4 結(jié)語

該設(shè)計是一款以STC89C51 單片機(jī)為核心的防霧霾輔助呼吸裝置，該裝置包括硬件電路、軟件程序2 個部分內(nèi)容。硬件電路主要由電源電路、單片機(jī)電路、變壓器初級驅(qū)動電路、升壓變壓器、整流電路、電壓采集電路、A/D 轉(zhuǎn)換器、液晶顯示電路、電壓控制電路共9 個部分組成。軟件程序主要由主程序、A/D 轉(zhuǎn)換子程序、液晶顯示子程序、變壓器初級驅(qū)動電路導(dǎo)通子程序組成。

經(jīng)過測試，該設(shè)計的大部分功能已基本實現(xiàn)。與傳統(tǒng)防霧霾口罩相比，該裝置具有實用性強(qiáng)、方便使用等優(yōu)點。該儀器仍有一些可以改進(jìn)的地方，例如，整流3 倍電壓部分，理想狀態(tài)下是將初級輸出電壓放大3 倍，但是實際效果達(dá)不到3 倍，另還有裝置整體的外觀和體積等都需要進(jìn)一步改進(jìn)。