多源智能超聲霧化加濕器的設計

胡銀偉，王恒杰，段 書

（中部戰區總醫院（漢口院區）醫學工程科，武漢 430010）

0 引言

近幾年來，各醫院新建手術室基本都采用水冷柜式空調機組進行溫濕度控制和空氣過濾，而常見的加濕方式有電極蒸汽式、電熱蒸汽式、滴下浸透氣化式、濕膜式等[1]。其中電極蒸汽式加濕桶應用最為廣泛，其原理為：利用自來水通電，依靠水中離子運動產生蒸汽，通過噴霧管連接進機組進行加濕。但自來水的水質硬度過大或過小均會影響加濕器的工作性能，其缺點是功率較高，加濕罐結垢現象嚴重、清洗困難，容易損壞，維護費用高。電熱蒸汽式加濕器是利用加熱絲對軟化水加熱產生蒸汽后輸送到機組，其缺點是加熱功率高、存在一定的安全隱患，且隨著使用時間的增加，產生蒸汽的效率明顯下降。

目前，超聲霧化器主要用于臨床呼吸系統疾病的治療和醫療美容，其工作原理及作用過程如下：利用振蕩器驅動霧化片（壓電陶瓷）產生諧振形成超聲波，根據微激波理論和表面張力波理論對水溶液作用產生霧化，在風機的推動下把霧化水霧經管路送至治療區域[2-4]。文獻[5]中指出，超聲波霧化與加熱霧化相比，在相同的霧化結果下超聲波霧化方式在能源輸入方面節省了90%的能量。

因此，本文設計了一種新型超聲霧化加濕器，可替代電極蒸汽式加濕桶、電熱蒸汽式加濕器等現有加濕器，采用多個霧化振子作為可調控的霧化源，實現霧化濕度的精準控制，在保障加濕效果的前提下，降低了能耗和故障發生率。此外，因水霧中含有大量的負離子，能吸收空氣中的有害成分，從而提高了空氣質量。

1 設計

本文設計了一款以MCS-51單片機微控制單元（microcontroller unit，MCU）為核心的多源智能超聲霧化加濕器，通過超聲霧化振子及起振驅動電路組成M×N的行列矩陣，溫濕度傳感器DHT11定期檢測機組內空氣濕度值并傳遞給MCU，MCU采用模糊控制的智能調控方式[6]通過計算分析后控制超聲霧化振子矩陣中每一個振子的狀態，從而決定總的霧化量。該裝置主要由主機和霧化槽2個部分組成，圖1為多源智能超聲霧化加濕器的主機結構圖，圖2為多源智能超聲霧化加濕器的設計示意圖。

圖1 多源智能超聲霧化加濕器主機結構圖

圖2 多源智能超聲霧化加濕器的設計示意圖

1.1 工作原理

通電后，MCU首先通過水位檢測電路檢測當前水位，當水位低于最低水位要求時（亮紅燈），所有超聲霧化振子均不工作并且驅動電磁閥導通，將處理后的水加入霧化槽內直至水位達到最高水位線。當霧化槽內的水位高于最低水位線時，單片機執行掃描振子的程序控制掃描電路，判斷是否存在故障振子并記錄位置，溫濕度傳感器定時檢測機組內空氣的濕度X（亮綠燈）。通過按鍵設定所需濕度值Y并按下開始鍵，單片機根據濕度值Y與X的差異，采用模糊控制算法，自動控制產生霧化的振子數目，通過逐次逼近的方法使得X近似等于Y并能維持較少的起振數目以抵消正常濕度損耗，且總霧化量取決于產生霧化振子的數目。通過液晶顯示電路不僅可以實時顯示實際空氣濕度X和設定的濕度Y，還可以顯示霧化槽內故障振子的位置，便于后期維護與更換，實現智能化控制。

1.2 電路設計

本文采用Proteus軟件進行仿真實驗，其中MCU選用性價比較高的STC89C52RC，通過按鍵設置所需濕度Y并在液晶顯示器（liquid crystal display，LCD）上顯示，用開關模擬水位狀況（開關閉合表示水位達到最低水位，開關斷開表示水位低于最低水位）并用發光二極管（light emitting diode，LED）指示加濕器的工作狀態。

1.2.1 主控電路

MCU STC89C52RC采用+5 V供電，XTAL1和XTAL2端口連接12.00 MHz的晶振作為MCU的時鐘。由于STC89C52RC的I/O端口數目有限，本設計中采用可編程外設接口Intel 8255作為MCU通用I/O端口擴展芯片[7]，用于控制超聲霧化振子的驅動起振電路。P1.7引腳用于控制電磁閥的狀態，其他端口分別連接LCD、溫濕度傳感器DHT11、按鍵、水位開關等，如圖3所示。

圖3 多源智能超聲霧化加濕器MCU主控電路圖

1.2.2 超聲霧化振子振蕩驅動電路

目前超聲霧化的驅動電路及其控制方法有很多。根據文獻[8]中的關鍵驅動電路技術分析，在本次設計中提出如圖4所示的振蕩驅動控制電路。為了能用單片機控制起振驅動電路，以石英晶體構成的多諧振蕩器作為信號源來控制金屬-氧化物-半導體（metal-oxide-semiconductor，MOS）管 IRF530 多路復用的導通或截止，最后在霧化振子兩端形成較高的振蕩電壓使振子起振產生霧化。為了隔離耦合信號、降低干擾，選用光電耦合器U2配合繼電器RL1作為電子開關，在控制信號 PZTX（X=1，2，...，64）的作用下決定繼電器RL1是否形成通路。

圖4 超聲霧化振子振蕩驅動電路

1.2.3 溫濕度檢測及液晶顯示電路

數字溫濕度傳感器DHT11[9]是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，具有極高的可靠性和穩定性。該傳感器包括一個電阻式測濕元件和一個NTC測溫元件，可與一個高性能的8 bit單片機連接。顯示電路采用的字符型液晶LCD1602是一種專門用來顯示字母、數字、符號等信息的點陣型液晶模塊，用于顯示濕度的設定值、當前值及故障振子的位置。溫濕度檢測及顯示電路如圖5所示。

圖5 溫濕度檢測及液晶顯示電路

1.2.4 超聲霧化振子霧化掃描及控制電路

通電后，當水位高于最低水位線時，單片機開始執行振子掃描驅動控制程序，依次控制M個光電傳感器檢測霧化振子是否起振產生霧氣：當有霧氣產生時會阻礙光的傳播，接收到的光信號就會減少或消失；反之會接收到足夠的光信號，表示霧化振子并沒有起振或霧化量很小。若發現霧化振子沒有起振霧化，則記錄該振子的位置及個數。超聲霧化振子霧化掃描及控制電路如圖 6 所示，其中引腳 PZTX（X=1，2，...，64）用于控制霧化振子的工作狀態，引腳ScanX（X=1，2，...，8）用于控制掃描電路發光端的工作狀態。

圖6 超聲霧化振子霧化掃描及控制電路

1.2.5 按鍵及指示燈電路

為節約MCU的I/O端口，按鍵電路采用矩陣設計，運用行掃描的方式讀取按鍵數據。為了更加直觀地顯示多源智能超聲霧化加濕器的工作狀態，采用LED指示其工作狀態，具體電路如圖7所示。

圖7 按鍵及指示燈電路

1.3 軟件設計

為方便后期調試，分別編寫按鍵、液晶顯示、溫濕度傳感器和霧化振子驅動等程序，并對其一一進行驗證。為提高系統運行穩定性，軟件設計時采用了RTX51實時多任務操作系統[10]，將程序運行時間劃分成多個時間片，按照一定的順序為不同的任務分配不同的時間片以實現多任務并行工作。系統整體被分成如下所示的幾個任務：

（1）任務0：用于復位單片機、初始化設置通用I/O端口擴展芯片8255，同時啟動所有其他任務，然后停止本任務。

（2）任務1：執行溫濕度和水位檢測，并點亮相應的指示燈。

（3）任務2：執行振子掃描程序，并點亮相應的指示燈。

（4）任務3：驅動液晶顯示屏LCD1602，顯示設定濕度值（默認值）、當前濕度值和故障振子位置編號。

（5）任務4：根據模糊控制算法控制振子起振。

（6）任務5：檢測按鍵，根據按鍵調整設定的濕度，并向任務2發送信號以更新濕度設定值。

（7）任務6：查詢開始按鍵是否被按下，如果按下則向任務1發送信號，開始產生霧化。

1.3.1 振子掃描驅動設計

MCU控制光電傳感器發光元件，依次對振子矩陣進行行掃描，利用霧氣對光傳播的阻礙作用，通過讀取感光元件的狀態判斷振子是否起振產生霧化效果，并記錄故障振子的數目J和位置編號S（i）。

1.3.2 模糊控制算法設計

執行完振子掃描程序后，獲得正常起振霧化的振子數目P（P≤M×N)、故障振子的位置編號S（i）及當前空氣濕度X，根據設定的需求濕度Y與X的差值Z，把空氣品質Q分為空氣很干燥DG、空氣較干燥MG、空氣濕度良好HG和空氣過度潮濕CG，如公式（1）、（2）所示：

當需求濕度Y大于當前空氣濕度X時，無論空氣品質Q為DG還是MG，MCU直接控制P個振子產生霧化，快速提高空氣品質Q到HG且空氣濕度升到Y-3，之后只啟動半數正常的霧化振子，把t0時刻空氣濕度值記作Xt0、t0+T時刻空氣濕度值記作Xt0+T，用狀態位s標記當前正增加霧化振子數目（s=1），還是在減少霧化振子數目（s=0），并執行圖8的邏輯判斷。

圖8 模糊控制算法控制邏輯

1.3.3 溫濕度傳感器驅動設計

硬件電路中DHT11的DATA引腳與MCU中P3.5引腳相連，用于采用單總線數據格式的同步通信，1次通信時間約4 ms，數據分為小數部分和整數部分（當前小數部分用于以后擴展，現讀數為零）[9]。主機MCU向DHT11發送一次開始信號，激活DHT11由低功耗模式轉向高速模式，等待主機開始信號結束后，DHT11發送響應信號，傳輸40 bit的數據，并觸發一次信號采集。DHT11單總線通信過程如圖9所示。

圖9 DHT11單總線通信過程

2 測試與驗證

Proteus軟件是一款比較好的仿真單片機及外圍器件的工具，其內部建立了完備的電子設計開發環境。本文運用該軟件對整體設計進行邏輯分析與判斷，并驗證其可行性。在仿真電路中，采用16個LED的亮滅來模擬4×4的霧化振子啟停狀態，用光敏電阻模擬光電傳感器，調節按鍵設置需求濕度Y=60并將需求濕度Y和初始濕度X=30在LCD上顯示。按下開始鍵，振子掃描電路開始工作，把設置為故障振子的編號和正常振子的數目均顯示在LCD上（如圖10所示），之后所有正常振子開始工作，通過手動調節DHT11外設的濕度值以模擬霧化效果。結果顯示，不論如何改變DHT11濕度值，MCU均能很好地控制處于工作狀態的振子數目，擬合特定的濕度控制曲線，以維持濕度穩定，仿真結果如圖11所示。

圖10 多源智能超聲霧化加濕器仿真顯示結果

圖11 控制擬合特定曲線圖

3 結語

本文設計的多源智能超聲霧化加濕器可作為暖通空調[11]采用的一種新型加濕技術，可用于醫療衛生、工業、建筑業等各個領域，且顯著降低了能耗，具有一定的實用價值和社會價值。此次軟件仿真實驗結果驗證了本文設計的邏輯性及各個電路的可實現性。后續工作重點包括優化模糊控制算法、選擇精度更高的濕度傳感器和擴展霧化振子矩陣的大小。完成上述工作后可以購買元器件對本文設計增加振子掃描電路并進行硬件調試實驗，從而進一步完善設計。