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(hào)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(hào)來(lái)控制。

　　關(guān)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(guò)對(duì)多腔氣囊有順序地反復(fù)充放氣，形成了對(duì)肢體和組織的循環(huán)壓力，對(duì)肢體的遠(yuǎn)端到肢體的近端進(jìn)行均勻有序的擠壓，促進(jìn)血液和淋巴的流動(dòng)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(yīng)用有助于預(yù)防血栓的形成和預(yù)防肢體水腫，能夠直接或間接治療與血液淋巴循環(huán)相關(guān)的諸多疾病。因此該治療儀的研制具有較高的使用價(jià)值和市場(chǎng)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(guò)程如圖2所示。以四腔氣囊為例：首先對(duì)肢體最遠(yuǎn)端的第1個(gè)腔充氣達(dá)到預(yù)置壓力，繼而對(duì)第2個(gè)腔充氣，同時(shí)第一個(gè)腔放氣，如此繼續(xù)，直到第4個(gè)腔達(dá)到預(yù)置壓力，至此系統(tǒng)完成了一個(gè)工作周期。在設(shè)定好的時(shí)間范圍內(nèi)，系統(tǒng)將會(huì)重復(fù)這一過(guò)程。本文重點(diǎn)討論該治療儀的控制系統(tǒng)部分。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(jī)交互器件構(gòu)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(jī)，采用5 V工作電壓。系統(tǒng)采用片內(nèi)RC振蕩器提供4 MHz的時(shí)鐘信號(hào)，系統(tǒng)上電自動(dòng)復(fù)位，并預(yù)留了ISP（在線編程）接口[3]。

　　系統(tǒng)中按鍵有啟停、增加時(shí)間、減少時(shí)間3個(gè)，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(lái)顯示剩余治療時(shí)間，同時(shí)有若干個(gè)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(chǎn)的SSCDANN400MGAA5。工作電壓為5 V，電流為2 mA，壓力類(lèi)型為Gauge，范圍為0～400 mbar，端口類(lèi)型為single axial barbed，大小為4.93 mm[4]。該傳感器內(nèi)部集成有信號(hào)放大電路，直接將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)。壓力信號(hào)與輸出模擬電壓值的函數(shù)關(guān)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(dāng)前壓力值的線性關(guān)系，進(jìn)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(hào)由ATmega16的ADC0引腳采集并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

　　該傳感器為DIP（雙列直插）封裝，8個(gè)引腳，其中第2引腳為電源端，第3引腳為信號(hào)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(gè)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(guò)變壓器降壓、整流濾波后經(jīng)過(guò)78M12芯片穩(wěn)壓得到12 V電源，再經(jīng)過(guò)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(hào)為PCF5015N，它的啟停由MOC3021和雙向晶閘管來(lái)控制。MOC3021是一款可控硅輸出的光電耦合器，用來(lái)隔離單片機(jī)系統(tǒng)和雙向晶閘管。雙向晶閘管可以雙向?qū)ǎ撮T(mén)極加上正的或負(fù)的觸發(fā)電壓，均能觸發(fā)雙向晶閘管正、反兩個(gè)方向?qū)?，通過(guò)雙向晶閘管來(lái)控制氣泵接口的電源通斷。工作過(guò)程中，系統(tǒng)軟件根據(jù)氣壓的大小計(jì)算出相應(yīng)的導(dǎo)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(shè)定的氣壓。

　　空泵模塊電路如圖7所示。單片機(jī)的PB0口輸出高電平時(shí)，三極管Q110處于飽和狀態(tài)，MOC3021的輸入端有電流輸入，導(dǎo)通，觸發(fā)外部雙向晶閘管T101導(dǎo)通；輸出低電平時(shí)，Q110截止，MOC3021輸入端無(wú)電流輸入，雙向晶閘管關(guān)斷。電路中R140為觸發(fā)限流電阻；R141為T(mén)101門(mén)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(guò)電壓保護(hù)。

　　2.5 電磁閥接口

　　電磁閥的數(shù)量與氣囊的腔數(shù)有關(guān)，本系統(tǒng)中采用四腔氣囊，應(yīng)使用4個(gè)電磁閥。ATmega16的I/O口輸出電流不足以驅(qū)動(dòng)電磁閥，因此采用三極管灌電流的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁閥工作，使用ATmega16的PC4~PC7端口分別控制這4個(gè)電磁閥。單個(gè)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(lái)保護(hù)電磁閥。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖9所示。系統(tǒng)上電后，首先初始化，等待用戶通過(guò)按鍵調(diào)整治療時(shí)間和模式。系統(tǒng)的時(shí)間設(shè)置有10 min、20 min、30 min、40 min 4擋。系統(tǒng)開(kāi)始工作后，首先啟動(dòng)氣泵給第1個(gè)氣囊充氣，在充氣過(guò)程中，開(kāi)始實(shí)時(shí)采集氣囊中的氣壓，當(dāng)氣壓值達(dá)到預(yù)定值（可設(shè)置為最大值400 mbar）后，保持某段預(yù)定時(shí)間，然后切換給第2個(gè)氣囊充氣，同時(shí)打開(kāi)第1個(gè)電磁閥接口對(duì)第1個(gè)氣囊放氣，依此重復(fù)。一個(gè)工作周期之后，判斷治療時(shí)間是否用完，如果時(shí)間剩余為0，則啟動(dòng)有源蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警，提示用戶結(jié)束治療過(guò)程。

　　本文介紹的系統(tǒng)具有控制簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)，已制作出樣機(jī)，經(jīng)測(cè)試效果良好。在后續(xù)的系統(tǒng)改進(jìn)中，會(huì)考慮增加開(kāi)關(guān)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(xiàn)

　　[1] 賀修君，鄧雪輝，何姣華.空氣波壓力治療儀在全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后預(yù)防下肢深靜脈血栓形成中的應(yīng)用[J].當(dāng)代護(hù)士（專(zhuān)科版），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(yīng)用[J].齊魯護(hù)理雜志，2011，17(5)：124.

　　[3] 劉海成.AVR單片機(jī)原理及測(cè)控工程應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

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