魏士杰，高龍琴，王志偉

（揚州大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127）

0 引 言

地球上氧氣占空氣的20%，是地球上不可或缺的生命之源，是維持人類生命活動的必需物質(zhì)之一，同時氧氣在醫(yī)療、軍事、工業(yè)等領(lǐng)域也有著極為重要的作用[1-3]。隨著國內(nèi)制造業(yè)、航空航天領(lǐng)域尤其是醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，氧氣的需求量不斷提高。疫情形勢下，充足的氧氣供應(yīng)可以為中癥或重癥患者提供很好的輔助治療手段。因此，醫(yī)用制氧裝置遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)有著很好的發(fā)展前景。本樣機所采用的變壓吸附制氧法利用了分子篩在高壓下對氮氣等氣體的吸附性能，以及低壓下解吸附這些氣體的特性，達到對氧氣和空氣中氮氣等其他氣體分離的作用。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、自動化程度高、操作方便靈活、投資少、能耗低等優(yōu)點。本研究結(jié)合變壓吸附制氧裝置的工藝流程，開發(fā)設(shè)計了一套以STM32 單片機為主控制器，基于嵌入式Web 的高自動化、智能化的醫(yī)用制氧裝置遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，為醫(yī)用變壓吸附制氧裝置進一步發(fā)展提供了技術(shù)支持。

1 變壓吸附制氧工藝流程

結(jié)合變壓吸附制氧的工作原理[4]，研究開發(fā)變壓吸附醫(yī)用制氧裝置的控制系統(tǒng)，首先需要確定變壓吸附制氧的工藝流程。本樣機采用了兩塔式變壓吸附制氧法，相對于常見的三塔式制氧法，具有成本低、控制方便、體積小等優(yōu)點[5]。具體工藝流程如圖1 所示。進氣電機打開，空氣被吸入制氧裝置內(nèi)部，再經(jīng)由鼓風(fēng)機吹入篩塔中，分子篩在高壓條件下會吸附氮氣等氣體，僅氧氣可以通過。過濾后的氧氣到緩沖罐中，再經(jīng)過止回閥進入增壓機增壓，經(jīng)過氧氣濃度傳感器，如達標(biāo)，則將合格的氧氣吹入氧氣罐中，否則將不合格的氧氣經(jīng)由三通電磁閥排放到裝置外部。當(dāng)分子篩的吸附效果達到飽和，則將鼓風(fēng)機反轉(zhuǎn)，將篩塔吸至負(fù)壓，分子篩吸附的氣體被釋放，由緩沖罐中多余的氧氣回流沖洗，將篩塔內(nèi)部的氮氣等其他氣體重新排放到大氣中，此為一個制氧周期。

2 硬件設(shè)計

變壓吸附醫(yī)用制氧裝置的控制系統(tǒng)以STM32F103ZET6單片機為主控芯片[6]。該芯片集成了中斷、定時器、串口、I2C、SPI、AD/DA 等功能，執(zhí)行指令高速且穩(wěn)定，軟件開發(fā)系統(tǒng)成熟[7]?？刂葡到y(tǒng)所涉及的外圍電路包括供電電路、以太網(wǎng)控制電路、電機驅(qū)動電路、顯示電路、LED 顯示電路、電磁閥驅(qū)動電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、輸出及接口電路等。其硬件系統(tǒng)框圖如圖2 所示。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

2.1 供電電路設(shè)計

變壓吸附醫(yī)用制氧裝置各部分所需供電有所不同，其中進氣電機采用的是外部電源供電；電磁閥采用24 V 供電；本樣機采用變頻器改變頻率的方式來控制鼓風(fēng)機電機以及增壓機電機，變頻器采用的是24 V 供電；氧氣濃度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器采用的是5 V 供電；主控芯片等采用的是3.3 V 供電，因此需要電源轉(zhuǎn)換電路來給整個控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定且合適的供電。本文采用LM2672 降壓芯片將外部24 V 電壓分別降為12 V、5 V、3.3 V 供各部分使用。供電電路如圖3 所示。

圖3 供電電路設(shè)計

2.2 驅(qū)動電路設(shè)計

2.2.1 電磁閥驅(qū)動電路設(shè)計

變壓吸附醫(yī)用制氧裝置的篩塔、緩沖罐、輸送管道的安全及控制穩(wěn)定性主要依靠電磁閥來控制，當(dāng)篩塔與緩沖罐的壓力傳感器所測得的壓力值過高時，需要控制電磁閥打開閥門，適當(dāng)排氣以降低罐內(nèi)的壓力。電磁閥的工作電壓為24 V，而單片機的工作電壓是3.3 V，不足以驅(qū)動電磁閥。因此當(dāng)主控芯片接收到壓力傳感器值，會與設(shè)定的壓力閾值進行對比判斷。若壓力閾值低于當(dāng)前壓力傳感器的數(shù)值，則主控芯片的輸出引腳輸出較低的信號，經(jīng)過緩沖器后再經(jīng)過MOSFET 管放大，電磁閥接收到放大后的開關(guān)信號，進行開啟動作，反之則關(guān)閉電磁閥。

2.2.2 電機驅(qū)動電路設(shè)計

制氧流程首先由進氣電機將空氣吸入裝置內(nèi)部，然后由鼓風(fēng)機將空氣吹入篩塔，濾出氧氣，最后由增壓機給過濾后的高濃度氧氣增壓，進而成為產(chǎn)品氧氣，輸送到氧氣瓶中。其中進氣電機無須控制轉(zhuǎn)速以及正反轉(zhuǎn)；而鼓風(fēng)機與增壓機需要根據(jù)壓力傳感器、流量傳感器以及氧氣濃度傳感器的數(shù)值實時控制電機的轉(zhuǎn)速。其中鼓風(fēng)機可以通過控制其正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)篩塔中制備氧氣以及回流沖洗的功能。

2.2.3 顯示裝置及LED 電路設(shè)計

變壓吸附制氧裝置采用TFTLCD 作為控制系統(tǒng)的顯示裝置，主要用來顯示傳感器所得到的數(shù)據(jù)以及電機狀態(tài)、裝置內(nèi)部環(huán)境狀態(tài)等參數(shù)。同時采用發(fā)光二極管作為控制系統(tǒng)的指示燈，用來提示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

2.3 以太網(wǎng)控制電路設(shè)計

變壓吸附制氧裝置通過DM9000[8]以太網(wǎng)控制芯片以及RJ 45 網(wǎng)絡(luò)接口，與上位機之間用網(wǎng)線連接。上位機接收控制系統(tǒng)測得的傳感器、電機狀態(tài)等數(shù)據(jù)，并實時在上位機頁面及LCD 屏上面顯示，同時上位機可以遠(yuǎn)程修改控制系統(tǒng)的傳感器閾值和電機狀態(tài)。

2.4 輸出及接口電路設(shè)計

變壓吸附醫(yī)用制氧裝置的輸出、輸入信號以及接口電路，主要用來外接實驗過程中所需要用到的設(shè)備，其中接口電路用來連接裝置外部輸入的熱電阻、電機狀態(tài)以及傳感器信號、輸出的電磁閥和電機信號。

2.5 A/D 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

變壓吸附醫(yī)用制氧裝置采用的STM32F103ZET6 主控芯片內(nèi)部自帶12 位AD 轉(zhuǎn)換器。為了提高傳感器測量的精度，本樣機選用外部16 位AD 轉(zhuǎn)換器LTC2439 來代替內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器。氧氣傳感器、壓力傳感器、流量傳感器等A/D 轉(zhuǎn)換電路如圖4 所示。

圖4 A/D 轉(zhuǎn)換電路

熱電阻在變壓吸附醫(yī)用制氧裝置中起到溫度監(jiān)測的作用，利用阻值隨著溫度變化而變化這一特性來測量環(huán)境的溫度，具有測量精度高、滯后小等優(yōu)點。其中熱電阻控制電路采用三線式連接的方法連接外部的熱電阻，可以減少導(dǎo)線對熱電阻信號的影響。熱電阻信號經(jīng)過外部AD 轉(zhuǎn)換器LTC2439 后，將傳感器信號發(fā)送到主控芯片進行數(shù)據(jù)處理。

2.6 PCB 電路板設(shè)計

為了提高布線效率、降低信號干擾以及提高控制器的穩(wěn)定性。本樣機采用四層板作為控制系統(tǒng)的PCB 布局方式，四層板的設(shè)計形式適用于元器件裝配密度較高、線路布局較為復(fù)雜的場合，可以大幅度降低布線的難度；同時因體積較小，電子元件之間的走線距離縮短，加快了信號傳輸?shù)乃俣取Ｏ鄬τ诙影?，加入了地線層，傳感器、以太網(wǎng)通信等信號線與地線層之間形成了穩(wěn)定的低阻抗，具有較好的屏蔽效果。具體PCB 布線如圖5 所示。PCB 三維圖如圖6所示。

圖5 PCB 布線圖

圖6 PCB 三維圖

3 下位機軟件設(shè)計

本樣機需要實現(xiàn)上位機對下位機傳感器數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)制功能。樣機將STM32 單片機作為嵌入式Web 服務(wù)器，PC 機瀏覽器作為客戶端。在客戶端瀏覽器上向嵌入式服務(wù)器發(fā)送POST 請求，請求格式為“/URL/SendData=SendValue”。此時下位機端接收到上位機發(fā)送來的請求報文，首先判讀上位機POST 請求報文中的URL 是否正確；其次判斷請求報文“SendData=SendValue”中是否有需要改變的SendData，如果有，那么在下位機端獲取上位機端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)并存儲到單片機的存儲器中。根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)來控制機器進行調(diào)整閾值、啟停電機、開關(guān)電磁閥等操作，同時返回XML 文件給上位機，上位機接收到返回的XML 文件后，進行解析，在上位機頁面加載XML 文件內(nèi)的數(shù)據(jù)，如果沒有，則返回null，并結(jié)束這一次請求。常規(guī)的上位機向下位機發(fā)送POST請求時會導(dǎo)致上位機網(wǎng)頁進行一次刷新，會在一段很明顯的時間里導(dǎo)致網(wǎng)頁的空窗期，因此本樣機采用了AJAX 異步刷新技術(shù)[9]，可以實現(xiàn)網(wǎng)頁在發(fā)送POST 請求的情況下不刷新頁面，并實時加載下位機返回的數(shù)據(jù)，提高用戶體驗。上位機中AJAX 異步刷新技術(shù)封裝函數(shù)為：

具體AJAX 請求流程如圖7 所示。

圖7 AJAX 請求流程

4 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件采用HTML、CSS、JS、XML 等語言編寫設(shè)計。HTML、CSS 及JS 作為前端語言，具有所寫即所得的優(yōu)點，在開發(fā)過程中可以實時調(diào)試所設(shè)計的頁面，極大提高了開發(fā)效率。XML 是獨立于軟件和硬件的信息傳輸工具，是一種可擴展標(biāo)記語言，常被用來在嵌入式系統(tǒng)與上位機之間傳輸數(shù)據(jù)，開發(fā)人員可以任意命名具有實際含義的標(biāo)簽名。當(dāng)XML 文件由下位機返回到上位機時，上位機可以通過獲取XML 的標(biāo)簽名內(nèi)部的參數(shù)，接收單片機發(fā)送來的傳感器數(shù)值、電機狀態(tài)、電磁閥狀態(tài)等參數(shù)。本樣機采用瀏覽器作為上位機軟件的開發(fā)平臺[10]，將所開發(fā)的網(wǎng)頁燒錄到單片機的存儲器中，并通過網(wǎng)線將上位機與單片機鏈接，即可在瀏覽器客戶端輸入嵌入式Web 服務(wù)器分配的IP 地址，訪問處于單片機存儲器中的網(wǎng)頁文件，并在瀏覽器顯示出來。本研究所制作的上位機包括登錄注冊、遠(yuǎn)程監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制、本地文件存儲等功能，能實現(xiàn)對制氧裝置工作狀況的實時監(jiān)測與控制。具體上位機頁面如圖8 所示。

圖8 上位機主頁面

5 結(jié) 語

本文基于變壓吸附制氧原理設(shè)計了以STM32 單片機為控制核心的變壓吸附制氧裝置控制系統(tǒng)，并設(shè)計了外圍控制電路以及PCB 電路板。編寫下位機控制程序以及上位機控制軟件，應(yīng)用AJAX 異步刷新技術(shù)，將瀏覽器客戶端與嵌入式Web 服務(wù)器連接起來，實現(xiàn)了醫(yī)用變壓吸附制氧裝置與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制的功能。整個控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、操作簡單、人機交互體驗良好等優(yōu)點。本文研究為醫(yī)用變壓吸附制氧裝置的進一步開發(fā)研究提供了參考。