醫用超聲霧化器控制電路的設計

楊志友

安徽中醫藥大學第一附屬醫院 （安徽合肥 230000）

近年來，隨著超聲技術的發展，醫用超聲霧化器被廣泛用于慢性支氣管炎、支氣管擴張、哮喘、咽喉炎、鼻炎、肺部感染等呼吸道疾病的治療及家庭保健中。該設備可將藥液霧化成微小顆粒，使其通過呼吸吸入的方式進入呼吸道和肺部沉積，從而達到無痛及有效治療的目的[1]。

近年來，國內外都對醫用霧化器進行了更新與改良，設計出了醫用超聲霧化器和壓縮霧化器。其中，醫用超聲霧化器已被廣泛應用于臨床，其由外殼（多由塑料組成，在霧化出口設有風量調節旋鈕，面板上有定時器、電源開關、霧量調節旋鈕、電源和輸出指示燈等）、底座、電源變壓器、風扇電機、換能片、儲藥罐、塑料螺紋管、口含管等組成[2]。霧化器可通過換能器耦合產生高頻振蕩，并由晶片產生1.7 M 超聲波振蕩輸出，電路多采用單管式輸出，有的采用雙管式輸出。超聲波以水為介質，通過水槽底的諧振發射窗使藥杯中的水溶性藥物霧化成微細的霧粒，然后由送風機將藥霧通過螺紋管輸送給患者進行吸入治療，以達到霧化的效果。我們可控制霧化器的具體治療時間（10～60 min），手動調節霧量。

目前，醫用超聲霧化器的種類繁多，但智能定時霧化器并不多。基于此，本課題通過由555定時器組成的多諧振蕩器和STC89C51單片機的結合，設計出了醫用超聲霧化器的智能定時控制電路。

1 工作原理及元件介紹

1.1 工作原理

本課題主要采用由555定時器組成的多諧振蕩器和STC89C51單片機來設計智能定時控制電路，通過555定時器組成多諧振蕩器產生矩形脈沖信號，用滑動變阻器來改變矩形脈沖的占空比，然后將矩形脈沖信號輸入STC89C51單片機中，通過單片機的計數功能對外部輸入的矩形脈沖信號進行計數來實現智能定時。

因此，本課題將硬件與軟件結合，提高了定時控制電路的穩定性，通過編程實現對繼電器吸合與斷開的控制，從而達到控制醫用超聲霧化器工作的目的。

1.2 元件介紹

1.2.1 STC89C51單片機

（1）基本組成：STC89C51單片機主要由中央處理單元、片內4K 程序存儲器、隨機存取器、并行輸入/輸出口、串行輸入/輸出口、兩個定時器/計數器、時鐘電路和中斷系統組成[3]。（2）時鐘電路與復位電路：時鐘電路用于產生STC89C51單片機工作所需要的時鐘信號；RST 引腳是復位信號的輸入端，為了實現復位操作，必須使RST 引腳上至少保持2個機器周期的高電平，再從高電平變成低電平完成復位，其中復位電路的復位操作包含上電復位、按鍵電平復位和外部脈沖復位3種。

1.2.2 555定時器

（1）工作原理：555定時器的5引腳經0.01 μF 電容接地，高電壓比較器C1的同相比較端和低電平比較器C2的反相比較端的參考電平為2/3Vcc 與1/3Vcc，當閾值輸入端TH 的電壓大于2/3Vcc，同時觸發輸入端TR 大于1/3Vcc 時，比較器C1輸出低電平，比較器C2輸出高電平，基本RS 觸發器置0，G3輸出高電平，放電二極管TD 導通，定時器輸出低電平；當閾值輸入端TH 的電壓小于2/3Vcc，同時觸發輸入端TR 大于1/3Vcc 時，比較器C1輸出高電平，比較器C2輸出高電平，基本RS 觸發器保持原狀態不變，555定時器輸出狀態保持不變；當閾值輸入端TH 的電壓大于2/3Vcc，同時觸發輸入端TR 小于1/3Vcc 時，比較器C1輸出低電平，比較器C2輸出低電平，基本RS 觸發器兩端都被置1，G3輸出低電平，放電二極管TD 截止，定時器輸出高電平；當閾值輸入端TH 的電壓小于2/3Vcc，同時觸發輸入端TR 小于1/3Vcc 時，比較器C1輸出高電平，比較器C2輸出低電平，基本RS 觸發器置1，G3輸出低電平，放電二極管TD 截止，定時器輸出高電平[4]。（2）由555定時器組成的多諧振蕩器：由555定時器組成的多諧振蕩器的內部組成結構見圖1，由圖分析，555定時器在接通電源后，Vcc 通過R1、R2對電容C 充電，由于剛接通電容瞬間，電容C 來不及充電，電容器兩端電壓UC為低電平，小于1/3Vcc，故高電平觸發端與低電平觸發端均為低電平，輸出U0為1，放電管T 截止；當電容C 被充電達到UC大于2/3Vcc 時，高電平觸發端與低電平觸發端均為高電平，輸出U0翻轉為0，放電管T 導通，此時電容C 開始通過R2和T 放電，使UC按指數曲線下降；當UC介于1/3Vcc 到2/3Vcc 之間時，高電平觸發端為低電平，低電平觸發端為高電平，輸出維持為0，電容C 繼續放電；直到UC再次小于1/3Vcc 時，高電平觸發端與低電平觸發端均為低電平，輸出U0又翻轉為1，放電管T 截止，電容C 又開始充電，周而復始振蕩，輸出U0為矩形波[充電時間T1=（R1+R2）Cln2；發電時間T2= R2Cln2；電路的振蕩周期T=T1+T2=（R1+2R2）Cln2 ；振蕩頻率f=1/T=1/（R1+2R2）Cln2[5]]。

2 課題設計

2.1 醫用超聲霧化器控制電路的整體結構

在本課題中，醫用超聲霧化器控制電路共由兩部分構成。其中，第一部分是由555定時器組成的多諧振蕩器電路，該電路的功能是產生矩形脈沖信號，通過電位器來改變脈沖信號的占空比，從而改變定時時間；第二部分是STC89C51單片機定時電路，該電路的功能是通過采用STC89C51單片機編程對由555定時器組成的多諧振蕩器所產生的矩形脈沖信號進行計數，達到定時的功能[6]。

圖1 由555 定時器組成的多諧振蕩器

2.2 醫用超聲霧化器控制電路的電源電路和信號產生電路

電源電路和信號產生電路的內部結構見圖2，由圖分析，電源電路是220 V 交流電經變壓器變壓后降為12 V，再通過橋式濾波整流和L7812CV 穩壓管及L7805CV 穩壓管兩級穩壓之后穩定為+5 V 電壓，為555定時器和STC89C51單片機提供電壓；信號產生電路主要是由555定時器組成的多諧振蕩器產生的矩形脈沖信號，矩形周期T=T1+T2=（R1+2R2）Cln2。

本設計是由信號產生電路和STC89C51單片機的最小系統構成，由555定時器組成的多諧振蕩器產生周期T=（R1+2R2）Cln2，將R1、R2和C 的數值帶入公式中，周期T約等于10 s，再將上述矩形脈沖信號輸入STC89C51單片機最小系統的P3.4引腳，通過程序編程對輸入脈沖進行計數，計數數值為60個，即定時10 min[7]。我們可以通過改變多諧振蕩器上的電位器數值，從而改變周期T 的值，達到改變定時時間的目的。

圖2 控制電路的電源電路和信號產生電路的原理

2.3 STC89C51單片機的程序設計

STC89C51單片機的主程序流程[8]見圖3，解讀如下：STC89C51單片機在本課題中的主要作用是對由555定時器組成的多諧振蕩器所產生的脈沖信號進行計數，首先對STC89C51單片機的參數進行初始化，將輸出引腳設置為高電平，即在無輸入信號前控制電路不工作；將狀態標志位設為1，TMOD 為工作方式控制寄存器，將其設置為0X05，即將STC89C51單片機設置為計數模式，計數器選擇T0，其由TR0控制，T0計數器工作在工作方式1，將計數器的初值0XFF、0X10分別送入計數器的高八位和低八位，將TR0設為1，計數器T0開始工作；將ET0設置為1，關中斷；將EX0、EX1均設置為1，即外部中斷0和1只受用戶控制；在中斷允許寄存器中出現的EA 是中斷的一個控制位，EA=0表示所有中斷請求被禁止，若EA=1，則是否允許中斷由各個中斷控制位決定（在本課題中，將EA 設置為1，即是否允許中斷由各個中斷控制位決定）；本課題需要計數60個脈沖，當一個信號源產生的脈沖信號進入STC89C51單片機時，先判斷其高低電平，當輸入為高電平時輸出為低電平，計數加1，當輸入為低電平時，計數亦加1，然后再判斷計數是否達到60個脈沖，達到即進入中斷程序，未達到則返回判斷高低電平程序，直到脈沖計數達到60，程序中斷。

圖3 STC89C51 單片機的主程序流程

3 實物展示

圖4 醫用超聲霧化器控制電路實物圖

醫用超聲霧化器工作電路的模擬電路是用蜂鳴器響的次數來代替時間倒計時，實物見圖4。綜上所述，將由555定時器組成的多諧振蕩器和STC89C51單片機結合，可以設計出精準控制霧化時間的醫用超聲霧化器控制電路。與傳統的霧化器比較，本課題的控制電路將硬件與軟件結合，提高了設備工作的穩定性，且降低了成本，可被應用于臨床，以便提高醫師的工作效率及患者滿意度。