摘  要： 介紹了一種以ATmega16芯片為主控制器的空氣波壓力治療儀的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中氣壓信號的采集使用了SSCDANN400MGAA5型壓力傳感器，充氣氣泵由光電耦合器MOC3021向雙向晶閘管發(fā)出觸發(fā)信號來控制。

　　關鍵詞： 空氣波壓力治療儀；ATmega16；壓力傳感器

　　空氣波壓力治療儀主要通過對多腔氣囊有順序地反復充放氣，形成了對肢體和組織的循環(huán)壓力，對肢體的遠端到肢體的近端進行均勻有序的擠壓，促進血液和淋巴的流動及改善微循環(huán)，加速肢體組織液回流，其原理如圖1所示[1]?？諝獠▔毫χ委焹x在臨床上的應用有助于預防血栓的形成和預防肢體水腫，能夠直接或間接治療與血液淋巴循環(huán)相關的諸多疾病。因此該治療儀的研制具有較高的使用價值和市場前景[2]。

　　1 系統(tǒng)介紹

　　空氣波壓力治療儀主要由包裹肢體的氣囊、氣管、氣泵和控制系統(tǒng)組成，其工作過程如圖2所示。以四腔氣囊為例：首先對肢體最遠端的第1個腔充氣達到預置壓力，繼而對第2個腔充氣，同時第一個腔放氣，如此繼續(xù)，直到第4個腔達到預置壓力，至此系統(tǒng)完成了一個工作周期。在設定好的時間范圍內，系統(tǒng)將會重復這一過程。本文重點討論該治療儀的控制系統(tǒng)部分。

　　2 硬件設計

　　系統(tǒng)的結構框圖如圖3所示，主要由ATmega16、電源模塊、壓力傳感器電路、氣泵、電磁閥接口電路以及按鍵、數(shù)碼管和蜂鳴器等人機交互器件構成。

　　2.1 ATmega16及外圍電路

　　ATmega16是AVR公司推出的一款8位高性能、低功耗單片機，采用5 V工作電壓。系統(tǒng)采用片內RC振蕩器提供4 MHz的時鐘信號，系統(tǒng)上電自動復位，并預留了ISP（在線編程）接口[3]。

　　系統(tǒng)中按鍵有啟停、增加時間、減少時間3個，直接與ATmega16的PA2~PA4端口相連，采用軟件方式去抖。顯示模塊采用2位0.36英寸共陰極數(shù)碼管，用來顯示剩余治療時間，同時有若干個LED顯示工作模式和狀態(tài)。

　　2.2 壓力傳感器模塊

　　系統(tǒng)采用的壓力傳感器為Honeywell公司生產的SSCDANN400MGAA5。工作電壓為5 V，電流為2 mA，壓力類型為Gauge，范圍為0～400 mbar，端口類型為single axial barbed，大小為4.93 mm[4]。該傳感器內部集成有信號放大電路，直接將壓力信號轉換為模擬電壓信號。壓力信號與輸出模擬電壓值的函數(shù)關系如圖4所示。輸出電壓值公式為：

　　輸出電壓值=0.8×Vsupply×(壓力值-Pmin)/(Pmax-Pmin)+

　　0.1×Vsupply

　　其中，Vsupply為5 V工作電壓，Pmax為最大壓力值400 mbar，Pmin為最小壓力值0 bar，代入公式可以得到輸出電壓值與當前壓力值的線性關系，進而算得輸出電壓值的范圍為0.5 V～4.5 V。傳感器輸出的模擬電壓信號由ATmega16的ADC0引腳采集并進行模數(shù)轉換。

　　該傳感器為DIP（雙列直插）封裝，8個引腳，其中第2引腳為電源端，第3引腳為信號輸出端，第4引腳接地，其他引腳懸空，電路如圖5所示。

　　2.3 電源模塊

　　系統(tǒng)的電源有交流220 V、直流5 V和12 V 3個部分，氣泵使用220 V交流電源，電磁閥使用12 V電源，ATmega16及外圍電路(包括壓力傳感器)使用5 V電源。220 V市用交流電通過變壓器降壓、整流濾波后經過78M12芯片穩(wěn)壓得到12 V電源，再經過78M05芯片穩(wěn)壓得到5 V電源，電路如圖6所示。

　　2.4 氣泵模塊

　　氣泵采用的型號為PCF5015N，它的啟停由MOC3021和雙向晶閘管來控制。MOC3021是一款可控硅輸出的光電耦合器，用來隔離單片機系統(tǒng)和雙向晶閘管。雙向晶閘管可以雙向導通，即門極加上正的或負的觸發(fā)電壓，均能觸發(fā)雙向晶閘管正、反兩個方向導通，通過雙向晶閘管來控制氣泵接口的電源通斷。工作過程中，系統(tǒng)軟件根據氣壓的大小計算出相應的導通角，控制雙向晶閘管觸發(fā)電路輸出不同的電壓給氣泵，從而保持設定的氣壓。

　　空泵模塊電路如圖7所示。單片機的PB0口輸出高電平時，三極管Q110處于飽和狀態(tài)，MOC3021的輸入端有電流輸入，導通，觸發(fā)外部雙向晶閘管T101導通；輸出低電平時，Q110截止，MOC3021輸入端無電流輸入，雙向晶閘管關斷。電路中R140為觸發(fā)限流電阻；R141為T101門極電阻，防止誤觸發(fā)，提高抗干擾能力；R139和C115為RC阻容吸收電路，用于過電壓保護。

　　2.5 電磁閥接口

　　電磁閥的數(shù)量與氣囊的腔數(shù)有關，本系統(tǒng)中采用四腔氣囊，應使用4個電磁閥。ATmega16的I/O口輸出電流不足以驅動電磁閥，因此采用三極管灌電流的方式來驅動電磁閥工作，使用ATmega16的PC4~PC7端口分別控制這4個電磁閥。單個電磁閥的控制電路如圖8所示，其中D107是續(xù)流二極管，用來保護電磁閥。

　　3 軟件設計

　　本系統(tǒng)的軟件設計流程如圖9所示。系統(tǒng)上電后，首先初始化，等待用戶通過按鍵調整治療時間和模式。系統(tǒng)的時間設置有10 min、20 min、30 min、40 min 4擋。系統(tǒng)開始工作后，首先啟動氣泵給第1個氣囊充氣，在充氣過程中，開始實時采集氣囊中的氣壓，當氣壓值達到預定值（可設置為最大值400 mbar）后，保持某段預定時間，然后切換給第2個氣囊充氣，同時打開第1個電磁閥接口對第1個氣囊放氣，依此重復。一個工作周期之后，判斷治療時間是否用完，如果時間剩余為0，則啟動有源蜂鳴器發(fā)聲報警，提示用戶結束治療過程。

　　本文介紹的系統(tǒng)具有控制簡單、成本低的特點，已制作出樣機，經測試效果良好。在后續(xù)的系統(tǒng)改進中，會考慮增加開關電源和鋰電池充放電電路，以降低系統(tǒng)的功耗，增加系統(tǒng)的便攜性。

　　參考文獻

　　[1] 賀修君，鄧雪輝，何姣華.空氣波壓力治療儀在全髖關節(jié)置換術后預防下肢深靜脈血栓形成中的應用[J].當代護士（?？瓢妫?，2010，3(10)：35.

　　[2] 李曉英.空氣波壓力治療儀在深靜脈血栓形成中的應用[J].齊魯護理雜志，2011，17(5)：124.

　　[3] 劉海成.AVR單片機原理及測控工程應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

　　[4] Silicon pressure sensors:SSC series-standard accuracy[Z].Honeywell，2009.