小型寵物犬罐療控制系統(tǒng)的研制

張新磊 徐曉潔

摘要：本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套適用于小型寵物犬的罐療控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以單片機(jī)ATMEGA128為核心，利用其產(chǎn)生的PWM方波作為控制信號(hào)，經(jīng)光電隔離和功率放大后，驅(qū)動(dòng)小型真空泵，控制其轉(zhuǎn)速；同時(shí)，利用單片機(jī)ATMEGA128內(nèi)部的定時(shí)器控制電磁閥進(jìn)行氣路切換，以達(dá)到定時(shí)抽氣、保持的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PWM方波的占空比在48%-96%之間可調(diào)，真空泵的流量在1.2L/min-2.5L/min之間可調(diào)，真空罐的負(fù)壓在-0.001Mpa-0.0075Mpa之間可調(diào)。整體設(shè)計(jì)方案原理簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，成本較低，為研制商品化的寵物罐療儀奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：小型寵物犬；罐療控制系統(tǒng)；單片機(jī)ATMEGA128；真空泵控制

中圖分類號(hào)：S85 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）24-0082-04

一、引言

隨著時(shí)代的進(jìn)步，在獸醫(yī)臨床上，中醫(yī)療法越來(lái)越得到國(guó)際主流醫(yī)學(xué)的重視[1]。其中，拔罐療法作為一種主要治療手段，也得到了一定的發(fā)展，其在促進(jìn)血液循環(huán)、調(diào)節(jié)神經(jīng)功能等方面應(yīng)用較為廣泛[2]。但是，由于這些療法對(duì)治療的位置、手法和力度都有一定的技巧要求，不易操作。所以，運(yùn)用現(xiàn)代化的電子、計(jì)算機(jī)手段研制一臺(tái)自動(dòng)罐療的設(shè)備十分必要，以解決臨床應(yīng)用存在的問(wèn)題。

本課題設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套適用于小型寵物犬的罐療控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以單片機(jī)ATMEGA128為核心，控制小型真空泵，并采用電磁閥進(jìn)行氣路切換。整體設(shè)計(jì)方案原理簡(jiǎn)單，功耗較低，實(shí)用性強(qiáng)，為研制商品化的寵物罐療儀奠定了基礎(chǔ)。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（一）硬件結(jié)構(gòu)

整體罐療控制系統(tǒng)的框圖如圖1所示，其主要包括ATMEGA128主控電路、驅(qū)動(dòng)電路、真空泵、電磁閥、數(shù)碼管顯示電路和按鍵電路。該系統(tǒng)的工作原理如下：首先，ATMEGA128主控電路產(chǎn)生控制信號(hào)脈沖寬度調(diào)節(jié)（pulse width modulation，PWM）方波；此信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后，進(jìn)行光電隔離和功率放大，作用至真空泵，使其持續(xù)抽氣；同時(shí)，ATMEGA128主控電路調(diào)用內(nèi)部的定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，改變I/O接口的高低電平輸出狀態(tài)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后，控制電磁閥切換真空罐內(nèi)部的氣路通斷狀態(tài)，以達(dá)到真空罐內(nèi)進(jìn)行定時(shí)抽氣/保持的目的。真空泵抽氣的力度和時(shí)間可由按鍵輸入進(jìn)行改變，并由數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示。

（三）電源電路

本系統(tǒng)采用直流12V電源供電。由于電磁閥和真空泵的工作電壓為12V，而單片機(jī)的工作電壓為5V，因此系統(tǒng)采用電壓轉(zhuǎn)化芯片LM7805將12V電壓轉(zhuǎn)換為5V電壓，為單片機(jī)供電[3]。系統(tǒng)的電源原理圖如圖2所示。

（三）ATMEGA128主控電路

本課題以8位單片機(jī)ATMEGA128為核心構(gòu)建主控電路。此芯片內(nèi)部采用RISC結(jié)構(gòu)，其最高主頻可達(dá)16MHz；內(nèi)部有2個(gè)8位定時(shí)器和2個(gè)16位定時(shí)器，最多可輸出7路PWM方波。片內(nèi)還有1個(gè)10位、8通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（Analog to Digital Converter，ADC）和多達(dá)35個(gè)外部中斷，另外還有多種數(shù)據(jù)傳輸接口，如I2C（Inter-Integrated Circuit，I2C）總線，串行外圍設(shè)備接口（Serial Peripheral Interface，SPI）等，方便數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸[4]。

（四）按鍵輸入及數(shù)碼管輸出顯示電路

本系統(tǒng)由輸入按鍵電路由8個(gè)獨(dú)立按鍵構(gòu)成，其主要作用在于調(diào)節(jié)罐療力度、切換頻率、罐療時(shí)間等參數(shù)；采用1個(gè)4位7段數(shù)碼管和1個(gè)強(qiáng)度顯示數(shù)碼管對(duì)罐療時(shí)間和力度檔位進(jìn)行顯示[5]。

（五）驅(qū)動(dòng)電路

本系統(tǒng)采用單片機(jī)ATMEGA128輸出兩組控制信號(hào)，其中一組為頻率為1.95Khz、占空比可調(diào)的PWM方波，其主要作用是控制真空泵的轉(zhuǎn)速；另外一組為I/O接口輸出的高、低電平，其主要作用是控制電磁閥的通斷狀態(tài)。這兩組控制信號(hào)的幅值僅為5V，而真空泵和電磁閥的額定電壓為12V，因此本課題采用MOS管IRF3205設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)其進(jìn)行功率放大[6]。為了防止后級(jí)功率放大電路中的大電流反灌燒毀單片機(jī)，還采用高速光電耦合芯片6N137和低速光電耦合芯片P781設(shè)計(jì)了光電隔離電路對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行電隔離[7]。隔離后的信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大電路之后，驅(qū)動(dòng)真空泵和電磁閥。整體驅(qū)動(dòng)電路的原理圖如圖3所示。

（六）真空泵的控制

本系統(tǒng)采用12V真空泵對(duì)系統(tǒng)的真空罐進(jìn)行抽氣。主要通過(guò)按鍵輸入電路對(duì)控制信號(hào)PWM方波的占空比進(jìn)行調(diào)控。當(dāng)PWM方波的占空比增大時(shí)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路作用至真空泵，導(dǎo)致真空泵轉(zhuǎn)速加快，抽氣速率增加，使得真空罐內(nèi)的負(fù)壓值增大，進(jìn)而令罐療力度增大；反之亦然[8]。這樣就可對(duì)真空泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，達(dá)到調(diào)節(jié)罐療力度的目的。

（七）電磁閥的控制

本系統(tǒng)采用二位三通電磁閥進(jìn)行氣路控制，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

在氣路連接的過(guò)程中，將端子1懸空，利用氣路管將端子2與真空泵連接，端子3與真空罐連接。當(dāng)單片機(jī)I/O信號(hào)輸出高電平時(shí)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后作用至電磁閥上，使得電磁閥內(nèi)端子2與端子3之間的氣路連通，真空泵對(duì)真空罐內(nèi)抽氣，使罐內(nèi)形成負(fù)壓狀態(tài)；相反，當(dāng)單片機(jī)I/O信號(hào)輸出低電平時(shí)，端子2與端子3之間的氣路斷開，此時(shí)真空罐內(nèi)保持原有的負(fù)壓[9]。這樣一來(lái)，通過(guò)控制程序持續(xù)改變單片機(jī)I/O信號(hào)輸出的高、低電平，即可持續(xù)切換真空罐內(nèi)抽氣/保持的狀態(tài)，以達(dá)到自動(dòng)罐療的目的。此外，通過(guò)按鍵電路改變高、低電平的切換頻率，即可改變罐療抽氣/保持狀態(tài)切換的頻率，從而達(dá)到改變罐療速度的目的[10]。

三、軟件的開發(fā)

軟件部分采用Windows 7操作系統(tǒng)和ICCAVR作為下位機(jī)軟件的開發(fā)環(huán)境，采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程。其具體流程如下：程序開始后，經(jīng)定義變量、端口初始化、時(shí)鐘模塊初始化之后，由按鍵電路進(jìn)行罐療力度、切換頻率、罐療時(shí)間等參數(shù)的輸入設(shè)置；單片機(jī)調(diào)用內(nèi)部的定時(shí)器，開始倒計(jì)時(shí)功能，并產(chǎn)生控制信號(hào)PWM方波和I/O高低電平，控制真空泵的轉(zhuǎn)速和電磁閥的通斷狀態(tài)；最后進(jìn)行時(shí)間和力度檔位的顯示。其整體流程圖如圖5所示。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.PWM方波輸出的占空比測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)中，采用國(guó)產(chǎn)RIGOL牌DS1104Z型示波器對(duì)控制信號(hào)PWM方波進(jìn)行波形觀測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠產(chǎn)生上述的控制信號(hào)。其中，PWM波的頻率為1.95kHz，幅值為5V，如圖6所示。

2.流量及負(fù)壓測(cè)試。系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了5個(gè)罐療力度檔位，所對(duì)應(yīng)的PWM占空比為48%至96%之間。在室溫的情況下，采用LZB玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)和真空負(fù)壓表在不同的占空比情況下對(duì)系統(tǒng)的流量和負(fù)壓進(jìn)行了測(cè)量，得結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著PWM方波占空比的增大，流量和負(fù)壓也會(huì)增大。

五、結(jié)論

本課題設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套適用于小型寵物犬的罐療控制系統(tǒng)。整體系統(tǒng)以單片機(jī)ATMEGA128為核心，利用其產(chǎn)生的PWM方波作為控制信號(hào)，經(jīng)光電隔離和功率放大后，驅(qū)動(dòng)小型真空泵；同時(shí)，利用單片機(jī)ATMEGA128內(nèi)部的定時(shí)器，改變I/O端口的輸出電平變化，進(jìn)而控制電磁閥，切換真空罐內(nèi)部的氣路通斷狀態(tài)，以達(dá)到真空罐內(nèi)進(jìn)行定時(shí)抽氣/保持的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)罐療功能，并且PWM方波的占空比從48%至96%可調(diào)，真空泵流量從1.2L/min至2.5L/min可調(diào)，真空罐負(fù)壓從-0.001Mpa至-0.0075Mpa可調(diào)。整體設(shè)計(jì)方案原理簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，成本較低，為研制商品化的小型寵物犬罐療儀奠定了基礎(chǔ)。

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