具有氧濃度監測功能的家用制氧機設計

周國輝，洪波，王斌，郭遠亮，歐陽廷明，曾樹洪

（1.惠州市集迅電子有限公司，惠州 516269；2.電子科技大學光電信息學院，成都 610054；3.惠州學院計算機系，惠州 516007）

具有氧濃度監測功能的家用制氧機設計

周國輝1，洪波1，王斌1，郭遠亮1，歐陽廷明2，曾樹洪3

（1.惠州市集迅電子有限公司，惠州 516269；2.電子科技大學光電信息學院，成都 610054；3.惠州學院計算機系，惠州 516007）

基于變壓吸附技術工藝制取氧氣原理，設計包括無油空氣壓縮機、雙分子篩交換及分離閥模塊、氧濃度檢測及智能主控模塊等構成的家用制氧機。通過檢測氧濃度優化分離閥的開啟時序，改變吸附周期以及分配進氣和排氣流動方向提高制氧效率，所開發的產品實現產業化，為家用制氧機的設計提供借鑒。

0 引言

隨著人們生活水平的提高和對健康需求的意識不斷增強，吸氧將逐步成為家庭保健的一種時尚。制氧有多種方法，至于家用制氧機，市面上有多種家用制氧機，由于制氧的原理不同，各家用制氧機的使用特點也就不同。家用制氧機制工作原理分類主要有電子制氧機、分子篩式制氧機、化學藥劑制氧機以及富氧膜制氧機等四種方法。分子篩制氧機是目前唯一成熟的，具有國際標準和國家標準的制氧機。

本文研究并設計了一種具有氧濃度檢測的醫用制氧機，在連續供氧模式下的平均供氧流量為1000ml/min-5000ml/min，氧溶度在不同用氧需求下可達到90%連續輸出。

1 工藝設計與控制

1.1 工藝設計

分子篩式制氧機是指以變壓吸附(Pressure Swing Adsorption，PSA)為基礎，采用物理方法從空氣中分離出氧氣的設備。其基本原理是根據分子篩在高壓下對空氣中的氮氣具有物理吸附作用，而在低壓下分子篩對氮氣解除吸附。因此，通過在制氧機通過對分子篩的進氣進行加壓控制即可將氮氣吸附，而未被吸收的氧氣被收集到容器中，經過凈化處理后即成為高純度的氧氣。達到連續穩定制取氧氣，家用制氧機采用低壓兩塔變壓吸附制氧工藝流程，如圖1所示。具體工藝是通過無油空氣壓縮機對經過過濾的空氣進行壓縮，通過控制切換閥的開啟將壓縮空氣導入吸附塔。在吸附塔內，由于空氣壓力大氮氣被分子篩吸附，因而氧氣在吸附塔頂部被聚積后進入氧氣儲罐，再經適當的異味去除和除塵、除菌過濾以及加濕處理，即獲得合格醫用級的氧氣。

1.2 關鍵工藝控制

本設計的醫用制氧采用氣壓低于2.5KgPa的吸附工藝，并采用雙分子篩塔的Skarstrom循環制氧機形式，為了有效和連續的制氧，必須通過對分子篩的進出氣時間、壓力進行有效的控制。一個制氧循環的工藝及控制過程是空氣經過濾器進入壓縮機，通過分子篩對氮氣在高壓下的吸附而產生氧氣輸出，氣路過程如圖2（a）所示；圖2（b）則為另一個分子篩加壓吸附的氣路過程，在這個過程中前一個分子篩在控制閥的相反控制作用下對氮氣進行解吸和作為廢氣排除。以上二者交替工作完成連續生產氧氣。從中可以看出控制分離閥以改變吸附周期和分配分子篩的進氣和排氣時間對制氧過程具有重要影響，本文通過檢測氧氣濃度進行控制周期的各時間分配提升制氧效率。

圖1 醫用制氧機工藝流程圖

2 系統設計

2.1 系統總體設計

根據技術需求和工藝設計系統總體設計如圖3所示。系統控制硬件部分由MCU、電源電路、交替閥、流量閥、按鍵、顯示、報警和信號檢測部分等組成。其中MCU選用ST 8位微處理器STM8L151F3，這個是低功耗單片機，可以在斷電時以最小功耗保持信息；內部有EEPROM可記錄數據，作為斷電數據保存用；內置有Watchdog；有12位ADC口，可以進行溫度與電壓檢測；有16位的計時器通道，用作醫療報警信號的模擬。電源電路通過對AC 220V的整流濾波和電壓轉換為DC 12V。再將DC 12V經LDO轉成5V、3.3V供顯示以及MCU使用。另有接一個5.5V/1.5F超級電容，若設備發生電源意外中斷，將發出報警音，提醒用戶。其中溫度檢測采用在PCB上設置一個NTC溫度傳感器，以檢測設備是否過溫，并以風險等級決定是否停機或報警。為了提高系統可靠性，看門狗電路看門狗輸入在1.6秒內未觸發時被激活。系統中光報警采用了兩組燈在不同的情況下顯示不同顏色的燈光進行報警提示，當氧濃度大于82%時，顯示綠色正常工作信號。當氧濃度低于82%時顯示黃色報警圖標。當氧濃度低于50%時顯示紅色報警圖標，并以閃爍，提醒操作者。

圖2 醫用制氧機工藝控制示意圖

圖3 系統總體設計框圖

2.2 主要電路設計

（1）顯示和按鍵電路

按鍵包括“制氧”、“流量”、“定時”3個。按鍵有輕觸是機械按鍵，也有電容感應式按鍵，本產品設計采用觸摸按鍵，按鍵觸摸IC選用YS812,在MCU程序中可以對按鍵的靈敏度進行調節。電容式觸摸按鍵是通過檢測人體手指帶來的電荷移動，而判斷出人體的觸摸動作，進而實現按鍵功能。

顯示使用 LED面板，驅動 IC選用 TM1680。TM1680可以選擇多重的ROW/COM模式，同時該芯片還提供了采用軟件進行設置的16個級別的PWM控制輸出，用于調整LED循環顯示的亮度。主控芯片和TM1680采用串行通信方式，只需要簡單的命令就可以進入命令模式（COMMAND MDOE）和數據模式（DA?TA MODE）,

（2）負載驅動電路

通過ULN2003來驅動交替閥、流量閥和控制壓縮機的繼電器。ULN2003為可直接驅動繼電器等負載的高電壓、大電流達林頓陣列結構,具體設計電路如圖4所示。

圖4 負載驅動電路設計

圖5 壓縮機工作狀態監測電路設計

圖6 掉電檢測電路設計

（3）信號檢測電路

制氧機在運行過程中，需要對氧氣濃度、流量、溫度進行監測，反饋給MCU，以決定是否停機或報警。

①超聲波氧氣傳感器

選用超聲波氧濃度檢測是基于成本的考慮，在不改變精度調節下，使用120Hz超聲波傳感器，采用精確的ADC檢測，使氧濃度檢測公差控制在±1%；工作電壓為12V，具有采集氧氣濃度和流量信號的功能，通過串行口與MCU進行數據通信。根據國家制氧機安全專用要求，制氧機應提供氧濃度狀態指示器，并且應當具備在成品氣中的氧濃度低于82%時，為操作者提供警報。

②壓縮機工作狀態監測

在壓縮機零線上串上一個電流互感器，通過整流，再通過LM358放大得到一個直流電壓信號，連到MCU ADC口，以監測壓縮機在正常工作還是發生故障，以決定是否停機或報警，具體電路設計如圖5所示。

③掉電檢測

通過R94和R97分壓，連到MCU ADC口，來檢測12V電壓，以決定是否停機或報警。當12V電壓小于11V時，設備會發出斷電報警音。

2.3 控制軟件設計

程序基于IAR Embedded workbench for STMicro?eelectronics STM8 IDE集成開發環境（IDE）使用 Ia?rIdePm編譯器，采用C語言編程。軟件主要完成掉電檢測、溫度檢測、壓縮機檢測、氧氣濃度讀取、按鍵掃描處理、負載控制、LED顯示和處理、報警和聲音處理、掉電數據保存等功能，采用模塊化程序設計方法，主要包括主程序和子程序兩部分。主程序流程如圖7所示。

圖7 控制軟件流程

系統上電后，首先進行系統初始化處理，主要包括I/O端口分配初始化、定時器初始化、串口初始化、各中斷初始化和其他參數和變量的初始化等。初始化后讀取保存的數據和全顯2秒，進入循環處理程序。

通過ADC轉換子程序檢測電源是否掉電、PCB板溫度、檢測壓縮機工作狀態。掉電則保存數據，是否重新上電在40秒內可以恢復到之前的工作狀態；PCB工作溫度大于60℃則打開風扇，關閉壓縮機、負離子、電磁閥，顯示故障代碼E-12，聲音報警提示等；檢測壓縮機是否是空載，是空載則關閉壓縮機、負離子、電磁閥，顯示故障代碼，聲音報警提示等。

串口3的中斷子程序主要是監測氧氣濃度數據。當氧氣濃度連續低于82%達到10秒時進行提示音和故障代碼等警告報警，當氧氣濃度連續10秒低于50%時進行嚴重報警，嚴重提示音和故障代碼。

按鍵掃描子程序主要是判斷是否有觸摸按鍵按下。有鍵按下時通過識別按鍵編碼執行相應功能的子程序，包括“制氧”、“流量”“定時”等功能子程序序。實現流量調節、定時時間設定等功能。

3 結語

本文所設計的醫用制氧機，通過超聲的方式實現氧濃度的連續檢測，實現了連續制氧，并符合醫療認有證，本文通過規范化的設計，能用1000mL/min.,2000mL/min.，3000mL/min,5000mL 以及 10000mL/min.的小型化醫用制氧機。系統設計穩定，并有智能化的內部錯誤檢測，報警信號符合國家及國際標準，已通國家醫檢測試，達到產業化要求。在可靠性測試中穩定，給公司帶來較好的銷售效益，用戶反饋良好。

[1]李杰,周理.變壓吸附空分制氧的技術進展[J].化學工業與工程,2004(03)：201-205

[2]陳平,朱孟府,于佳等.便攜式制氧機研制[J].醫療衛生裝備,2013，34(10)：77-79

[3]劉婷,黃明,叢茂檸．透射式脈搏血氧飽和度檢測系統的設計與實現[J].中國醫療設備，2012，27(12)：55-58

Design of Household Oxygen Generator with Monitoring of Oxygen Concentration

ZHOU Guo-hui1，HONG Bo1，WANG Bin1，GUO Yuan-liang1，OUYANG Ming-ting2，ZENG Shu-hong3
（1.Huizhou Gisun Electronic Co.,Ltd.,Huizhou 516269；2.School of Optoelectronic Information,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054;3.Department of Computer Science,Huizhou University,Huizhou 516007）

Based on the principle of producing oxygen by PSA technology,designs a household oxygen generator consisting of oil-free air compressor,bimolecular sieve exchange and separating valve module,detection of oxygen concentration and intelligent master module.By means of de?tecting the concentration of oxygen to optimize the sequence of separating valve,changing the adsorption period and distributing the direc?tion of intake and exhaust to improve the efficiency of oxygen production,successfully industrializes the generator production,and provides a possible solution of household oxygen generator.

惠州市科技計劃項目（No.2015B010002005、2014B020004020）、廣東省高等學校教學質量與改革工程本科類資助項目(粵高教函【2013】113號-113)

1007-1423（2017）23-0068-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.23.016

周國輝（1976-），男，大學，從事領域為電子產品設計與研發管理工作

洪波（1972-）,男，大學，從事領域為電子產品設計與項目管理工作

王斌（1987-）,男，大學，從事領域為電子產品設計工作

郭遠亮（1982-）,男，大學，從事領域為電子產品軟件設計工作

歐陽明廷（1996-），男，大學，在讀本科生，研究方向為物聯網、智能算法

曾樹洪（1979-），男，四川瀘州人，研究生，高級實驗師，從事領域為網絡技術研究工作

2017-08-03

2017-08-10

變壓吸附制氧；氧溶度檢測；雙分子篩

PSA Oxygen Production;Detection of Oxygen Concentration;Bimolecular Sieve