張東衡，侯曉蓓

ZHANG Dong-heng, HOU Xiao-bei

(上海醫(yī)療器械高等?？茖W校 醫(yī)療器械工程系，上海 200093)

0 引言

分子篩變壓吸附（Pressure Swing Adoption，PSA）利用沸石分子篩作為吸附劑，在變壓方式下通過吸附劑對空氣中氧、氮吸附能力的差異而將氣體混合物分開，實現(xiàn)氧氣和氮氣的分離，生產出以醫(yī)療、保健為目的90%以上的醫(yī)用氧。和其他制氧方法相比，PSA制氧機具有體積小、能耗低、噪音低、便于攜帶、價格低廉，能連續(xù)產生清新潔凈氧氣等優(yōu)點，適合于醫(yī)院、家庭、賓館、氧吧等場所使用[1]。

本文研制了一種基于PSA的微型醫(yī)用分子篩制氧機，輸出氧氣濃度在90%以上，流量可調，具有計時、報警等功能和低噪音、運行安全可靠等特點，并配有血氧和霧化接口，能滿足1～3人同時使用。

1 分子篩制氧工作流程

在PSA制氧方式下，原料空氣經三級過濾處理后由無油空壓縮機增壓、冷凝器降溫處理后經換向控制閥進入裝有沸石分子篩的吸附塔，空氣中的氮氣、二氧化碳、水蒸氣被吸附劑選擇吸附，氧氣則穿過吸附塔進入儲氧罐，在經濃度、流量和壓力檢測后作為產品氣體輸出。當吸附塔內吸附劑接近吸附飽和時，壓縮空氣進入另一只已再生后的吸附塔繼續(xù)吸附，吸附飽和的吸附塔則通過向大氣排氣泄壓，并引入部分產品氧氣對吸附劑床層清洗，使吸附飽和的吸附劑解吸再生，為下次吸附做準備，如圖1所示。

圖1 分子篩制氧工作流程

2 硬件控制系統(tǒng)設計

系統(tǒng)控制部分硬件結構主要由微處理器、電源電路、換向閥、信號檢測模塊、按鍵和液晶顯示電路、報警電路等部分組成，控制系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。

經綜合比較，主控制芯片選用基于AVR RISC結構的8位微控制器ATmega128L。電源電路通過對交流電壓的整流濾波和電壓變換后提供了三種供電電壓，分別為DC12V、DC3.3V和DC5V。另電源板外接9V干電池供電電路，若設備發(fā)生電源中斷故障，切換到9V干電池供電，報警板仍能工作發(fā)出報警信號。

圖2 控制系統(tǒng)結構框圖

2.1 換向閥

制氧機換向控制系統(tǒng)的選擇對整機使用壽命、噪聲、安全性和可靠性至關重要。傳統(tǒng)的滑柱式電磁閥應用于制氧設備這種低氣壓、不供油、大流量、高頻率、高溫的環(huán)境時，使用效果不佳，故采用膜片式電磁式換向閥[3]。膜片閥為二位四通閥，是由兩組二位四通閥組合構成，電磁換向閥上有兩個閥門，對應于兩個吸附塔工作狀態(tài)切換。該閥最低起動壓力為0.08Mpa，工作壓力范圍為0.1-0.3Mpa，工作電壓為DC12V。

換向閥驅動電路采用T L P 521-4以及ULN2003APG控制。TLP521-4為可控制的光電耦合器件，以增加安全性，減小電路干擾。ULN2003APG屬于ULN2003系列產品，屬高耐壓、大電流達林頓陣列，可直接驅動繼電器等負載。

2.2 信號檢測模塊

制氧機在運行過程中，需要對儲氧罐氧氣壓力，產品氧氣濃度、流量、溫度，血氧飽和度和脈搏情況進行監(jiān)測，反饋給控制芯片，以決定是否停機或報警。

2.2.1 壓力監(jiān)測

為保護機器和人身安全，制氧機在運行過程中需對儲氧罐氧氣壓力進行監(jiān)測。壓力傳感器輸出接至ATMEGA128L的PF0口（AD0），通過內部ADC將氧氣壓力模擬信號轉換成數(shù)字信號。壓力傳感器選用SPRA030G。該傳感器采用DC5V供電，在電源和公共地之間須接一個0.1uF的電容，3號引腳為輸出正極，將輸入壓力大小轉化為與之成正比的電信號輸出，線性度較好。其量程為0-30psi（對應電壓0.5-4.5V）。在測量時，正壓力施加于B壓力端口。

2.2.2 氧氣傳感器

根據制氧機安全專用要求《YY0732-2009 醫(yī)用氧濃縮器 安全要求》的要求[4]，制氧機應提供氧濃度狀態(tài)指示器，當成品氣中的氧濃度低于82%（體積分數(shù)）時，向操作者發(fā)出報警。由于化學式氧傳感器使用一段時間后要進行校準，故選用抗干擾能力強、無消耗無需校準的超聲波氧氣傳感器。傳感器工作電壓電壓為12V，能采集氧濃度、流量和溫度信號，通過RS232串行接口和主機數(shù)據交互。氧傳感器通過ATMEGA128L的串口0（RX0和TX0）進行數(shù)據通信。

2.2.3 血氧模塊

血氧模塊為部分機型選配模塊，以滿足測試血氧和脈率的需要。血氧模塊檢測到的血氧飽和度和脈率參數(shù)通過RS232串行口上傳給主控芯片ATMEGA128L（串口1）。血氧模塊接口電路的串口傳輸（TXD）協(xié)議采用CMOS電壓傳輸，而ATMEGA128L采用TTL電平，理論上需考慮電平轉換。根據電平協(xié)議知，在輸出時，CMOS低電平<0.1V1，高電平>0.9V1，其中V1為CMOS供電電壓；在輸入時，TTL低電平<1.2V2，高電平>2V2，其中V2為TTL供電電壓。在這里V1=3.3V，V2=5V，所以其高低電平兼容，可直接相連。

2.3 按鍵和液晶顯示電路

包括4個獨立式鍵盤按鍵和1塊圖形點陣19464-1液晶顯示屏。按鈕“MODE”為制氧模式選擇按鈕，共有三種模式：“0”模式代表運行模式，“1”代表當前可設定運行時間，“2”狀態(tài)代表顯示血氧參數(shù)。“UP”、“DOWN”為上下調節(jié)設定值按鈕，步長為10min，最長時間為5小時?！癊NTER”為確認按鈕，空壓機在設定的時間內運行，時間到空壓機就會停止運行。液晶屏顯示本次運行時間、累計運行時間等信息，控制芯片為KS0108。

2.4 故障診斷和報警

主要包括壓力報警、氧濃度報警和斷電報警等，采取聲報警和光報警兩種方式，報警參數(shù)滿足《YY 0709-2009 醫(yī)用電氣設備 第1-8部分：安全通用要求 并列標準：通用要求，醫(yī)用電氣設備和醫(yī)用電氣系統(tǒng)中報警系統(tǒng)的測試和指南》的要求[5]。根據YY0709-2009對于報警系統(tǒng)的要求，氧濃度報警（當氧濃度低于82%V/V時）和斷電報警優(yōu)先級為中優(yōu)先級，需同時提供聲和光兩種形式的報警。圖3為聲報警電路圖，在不同頻率下利用功率放大器TDA2822驅動揚聲器發(fā)出不同的聲音基調。

圖3 聲報警電路圖

光報警采用了兩個雙色燈和一個單色燈。雙色燈的燈頭內含有兩個不同顏色的燈絲，在不同的情況下顯示不同顏色的燈光進行報警提示。其中一個雙色燈（D1、D2）用于對氧濃度進行報警，當氧濃度大于82%時D1亮發(fā)綠光，當氧濃度低于82%時D2亮發(fā)黃光。另一個雙色燈用于停機報警，綠色運行，紅色表示停機報警。當機器突然斷電時，通過繼電器切換到干電池供電，D5以占空比1：1，頻率0.5Hz閃爍，引起操作者注意。

圖4 光報警電路圖

3 軟件系統(tǒng)設計

程序設計基于ATMEL AVR Studio集成開發(fā)環(huán)境（IDE）下利用WinAVR編譯器，采用C語言編程。軟件主要完成按鍵掃描處理、換向閥定時切換、數(shù)據采集和顯示、故障診斷和報警等功能，采用模塊化程序設計，分為主程序和子程序兩部分。系統(tǒng)工作流程圖如圖5所示。

系統(tǒng)上電后，首先進行系統(tǒng)初始化處理，包括IO端口分配初始化、串行口0和1的初始化、定時器初始化、液晶屏初始化、各中斷向量初始化和其他參數(shù)和變量的初始化等。初始化后先顯示企業(yè)LOGO，延時1秒再進入循環(huán)處理程序。

圖5 系統(tǒng)工作流程圖

通過ADC轉換子程序監(jiān)測儲氧罐壓力，在開機12s后若管路壓力還沒建立起來，說明吸附塔分子篩堵塞，通過紅色LED燈亮提示；20s后若壓力還沒建立起來，則停機。若壓力超過預設上限值，停機并紅色LED燈亮提示。

鍵盤掃描子程序判斷是否有鍵按下，當有鍵按下，根據判斷轉去執(zhí)行相應的“mode”鍵處理子程序、“+”鍵處理子程序，“-”鍵處理子程序和“enter”鍵處理子程序，實現(xiàn)本次運行時間設定和相關參數(shù)的顯示。

在液晶顯示子程序中，由于選用的是不帶字庫的圖形點陣液晶顯示屏，應先通過字模提取軟件建立所需的中英文字庫序列。對于19264-1屏，通過對片選信號CS0、CS1和CS2的配合實現(xiàn)分段掃描。

根據要求，制氧機應具有不可反復的累計時間，由于閥工作時間約50000小時，故累計時間定義為一個無符號整數(shù)，范圍為0-65535，通過對EEPROM的讀寫實現(xiàn)不可反復時間的計時。在EEPROM中定義一個字節(jié)地址和一個字地址。機器運行中每10分鐘寫入一次數(shù)據到字節(jié)地址中，累計成1小時后寫入到字地址中。EEPROM的使用壽命至少為10萬次寫/擦循環(huán)，可以實現(xiàn)掉電后需保護的累計時間需要。

串口0中斷子程序監(jiān)測出口處氧氣濃度、溫度、流量等參數(shù)，當氧濃度低于82%時報警。通訊協(xié)議：波特率為9600bps，字符長度為1位起始位，8位數(shù)據位，1位停止位，無校驗，其串口通信協(xié)議數(shù)據，均為16進制數(shù)據。

串口1監(jiān)測血氧飽和度和脈率。通信協(xié)議：波特率4800bps；字符長度為1位起始位，8位數(shù)據位，1位停止位和奇校驗。5個字節(jié)為1幀，第一字節(jié)高位為1其余為0作為同步位，第4字節(jié)為脈率，第5字節(jié)為血氧飽和度。

在報警子程序中，對不同的報警情況，報警的音調不同，那么信號的脈沖值也不同，中優(yōu)先級報警信號脈沖群中脈沖數(shù)為3,任何兩脈沖振幅的差異最大為10dB。采用中優(yōu)先級對氧濃度的報警時音調有C、b、a，在對設備掉電故障報警音調有C、c、c三種（其中C是比c高八度音階），各音名有其對應的純律頻率，如表1所示。

表1 報警音階頻率表

4 結束語

研制了一種基于PSA的微型醫(yī)用制氧機，實驗證明其輸出流量為0-5L/min可調，氧氣濃度在90%以上，在小流量輸出時濃度可達96%。通過結構設計和隔音設計，整機噪聲在55dB以下，具有累計計時和定時功能，能實現(xiàn)氣道過壓報警、分子篩堵塞報警、氧濃度低報警和斷電報警等報警功能，并帶有血氧和霧化接口，能實現(xiàn)血氧飽和度、脈率檢測和霧化給藥的功能。機器操作簡便、噪音低、成本低、運行安全可靠，現(xiàn)由某醫(yī)療器械公司注冊投產。

[1]陳燕東,孟志強,王同業(yè),胡維.大功率制氧機控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制,2006,14(6)：773-775.

[2]汪志紅.AVR單片機系統(tǒng)開發(fā)使用案例精選[M].北京：北京航空航天大學出版社,2010.

[3]單漠君,單軍波.膜片式氣動電磁閥_醫(yī)用保健制氧機專用[J].液壓氣動與密封,2005,3：46-47.

[4]國家食品藥品監(jiān)督管理局.醫(yī)用氧濃縮器 安全要求[S].北京：中國標準出版社,2009.

[5]國家食品藥品監(jiān)督管理局.醫(yī)用電氣設備,第1-8部分：安全通用要求,并列標準：通用要求,醫(yī)用電氣設備和醫(yī)用電氣系統(tǒng)中報警系統(tǒng)的測試和指南[S].北京：中國標準出版社,2010.