淺談防霧霾輔助呼吸裝置設計

高 雪 孫 凱

（1.莒縣人民醫院，山東 日照 276500；2.日照市生態環境局莒縣分局，山東 日照 276500）

0 引言

眾所周知，近代以來現代工業高速發展，造成了今天的環境污染問題，尤其是經濟高速發展的中國[1]。據世界衛生組織的統計，每年有近1700 萬人因感染各種疾病而死亡，其中最嚴重的是呼吸道感染[2]。該研究設計的防霧霾輔助呼吸裝置用于小范圍的空氣凈化，使最終進入人體的空氣較為清潔[3]。該研究將從防霧霾輔助呼吸裝置的電路組成、工作原理和實現方法等幾方面開展研究，其中研究的重點是其工作原理及電路的組成，研究的難點是電壓值的設置。

1 硬件電路的設計

1.1 防霧霾輔助呼吸裝置的硬件電路結構框圖

電路結構原理框圖（軟件結構框圖）如圖1 所示。

防霧霾輔助呼吸裝置整個系統由9 個部分組成，包括電源電路、單片機電路、變壓器初級驅動電路、升壓變壓器、整流電路、電壓采集電路、A/D 轉換器、液晶顯示電路以及電壓控制電路[4-5]。1）電源電路。通過一個內含8 節干電池的電池盒為電路提供5 V 和12 V 的電壓。2）單片機電路。是整個電路系統的控制中心，用于編程實現接收A/D 轉換后的信號并將其顯示在液晶顯示器上。同時，用編程實現脈沖信號的輸出，驅動變壓器初級。3）工作流程。單片機先將預設電壓顯示在液晶顯示器的第一行上，同時，由單片機輸出一個脈沖信號，該脈沖信號直接驅動MOS 管，由MOS 管將功率放大，再通過升壓變壓器將電壓進一步放大，然后經整流電路將交流電變為直流電接到極板上。將整流電路輸出的高電壓用4 個10 M 和一個15 kΩ 的電阻進行分壓，得到一個小于3 V 的電壓，該電壓經過電壓采集電路輸入A/D 轉換器中，最后輸入單片機。

圖1 電路結構原理框圖

1.2 單片機電路

1.2.1 STC89C51單片機簡介

STC89C51 單片機是一款基于8 位CPU 的具有計算和控制功能的集成芯片。其采用8051核的ISP（In-System Programming）系統可編程芯片，最高工作時鐘頻率可達80 MHz，片內含有8 KBytes 的可反復擦寫1 000 次的Flash 只讀程序存儲器，器件兼容標準MCS-51 指令系統及80C51 引腳結構，芯片內部集成了通用8 位的CPU 和ISP Flash 存儲單元。

1.2.2 防霧霾輔助呼吸裝置的單片機電路原理圖

單片機電路原理圖如圖2 所示。

在防霧霾輔助呼吸裝置的單片機中，31 引腳和40 引腳接5 V 電源，20 引腳接地。18 引腳和19 引腳是時鐘接口，10 引腳和11 引腳是下載電路接口，9 引腳接復位電路。32 接口通過一個電阻接一個LED 燈并與5 V 電源連接，用于程序調試。1 引腳、2 引腳、3 引腳是數字信號輸入口，用于接收A/D 轉換后的數字電壓信號。4 引腳通過編程輸出一個矩形波，實現對初級輸入端的供電。6 引腳、7 引腳、8 引腳、21 引腳、22 引腳、23 引腳、24 引腳、25 引腳、26 引腳、27 引腳、28 引腳為LCD1602 的控制端。

1.3 變壓器初級驅動電路

如圖3 所示，變壓器初級驅動電路的三極管和MOS 管工作于開關狀態，其輸入端由單片機輸入一個占空比非常小的矩形波以驅動MOS 管，電容C18 起到隔直的作用，目的是防止單片機意外輸出連續直流電平時，導致MOS 管連續導通，從而損壞。當輸入矩形波為高電平時，Q1、Q2 截止。當輸入矩形波為低電平時，Q1、Q2 導通，且不需要調節其占空比，通過調節變壓器初級的供電電壓，即可調節次級輸出的電壓。CONDU1外接為高頻變壓器，當高頻變壓器工作時，會產生非常大的電流，如果不及時放掉高頻變壓器產生的電流，MOS 就會燒掉，最終導致電路不能正常工作。所以為了避免該情況的發生，高頻變壓器必須工作在很短的時間，且必須能快速放掉產生的高電流。

圖2 單片機電路原理框圖

1.4 整流電路

這部分是整流3 倍電壓，將初級輸出電壓放大3 倍，但是實際效果沒有達到3 倍，包括升壓變壓器和整流電路。初級輸出的電壓經過升壓變壓器得到靜電吸附所需的電壓值，然后經過由3 個高壓二極管和3 個電容組成的整流電路將交流電變成3 倍壓的直流電，再接到正負極板。

1.5 電壓采集電路

整流電路后輸出的是一個高電壓，將該電壓經過4 個10M的電阻進行分壓得到一個小于3 V 的電壓，并輸入運算放大器內放大2 倍，放大后輸入A/D 轉換器中。

2 軟件系統的設計

2.1 整體程序

先在單片機上復位后，將端口、LCD1602、定時器進行初始化；再將設置的預設電壓值顯示在液晶顯示器的第一行上；接著由單片機輸出一個矩形脈沖給變壓器初級控制電路，該矩形脈沖信號經過一系列電路處理后經過A/D 轉換器，由模擬信號轉換為數字信號輸入單片機中，最后通過編程使其顯示在液晶顯示器的第二行上，從而完成整個程序的流程。

2.2 A/D轉換子程序

將采集到的模擬信號經過TLC549 轉換成數字信號。轉換過程為進入程序后，首先將ADC_CS 置低，準備開始讀取，循環讀取8 位數據，高位在前。然后，根據ADC_DATA_OUT 讀取當前一位數據，再讓ADC_CLK 輸出一個高電平脈沖。最后，ADC_CS置高，關閉讀取，返回讀取結果。其轉換公式如下：

式中：Vin—模擬信號輸入，N—分辨率（位數），Vref—參考電壓，Vmin—最小電壓，Vmax—最大電壓。

2.3 液晶顯示子程序

首先，定義2 個字符數組x[]，y[]，用來存放顯示內容。其次對LCD1602 端口進行初始化。最后，調用顯示函數，將x 數組里的內容顯示在液晶屏的第一行，y 數組顯示在液晶屏的第二行。

3 研究結果

3.1 防霧霾輔助呼吸裝置的機械結構簡圖

防霧霾輔助呼吸裝置的機械結構簡圖如圖4 所示。

圖3 變壓器初級驅動電路原理圖

3.2 功能簡介

接通電源后，單片機先將預設電壓顯示在液晶顯示器的第一行上，然后由單片機輸出一個矩形脈沖輸入變壓器初級驅動電路中，經過升壓變壓器、整流電路輸出一個1 800 V 左右的電壓接在正負極板上。同時，該電壓經過電壓采集電路得到一個小于3 V 的電壓，將該電壓輸入A/D 轉換器后，輸入單片機中，最后顯示在液晶顯示器的第二行上。

圖4 防霧霾輔助呼吸裝置的機械結構簡圖

3.3 調試體會

在完成該設計的過程中，遇到的主要問題和解決方法包括以下3 個。1）LCD1602 液晶顯示問題：正確連接LCD1602 硬件電路，下載程序，發現LCD1602 不顯示，后來發現，LCD1602 管腳3 接的電阻較大，導致對比度不合適，最后換成了1 kΩ 的電阻，問題得到解決。2）變壓器初級驅動電路的問題：圖3 電路中的高頻變壓器CONDU1 的3、4 端口總是得不到正確的波形，以至于不能正常驅動高頻變壓器，導致電路工作不正常。最后，在避免用手接觸MOS 管的情況下，用鑷子把MOS 管焊上，問題得到解決。

4 結語

該設計是一款以STC89C51 單片機為核心的防霧霾輔助呼吸裝置，該裝置包括硬件電路、軟件程序2 個部分內容。硬件電路主要由電源電路、單片機電路、變壓器初級驅動電路、升壓變壓器、整流電路、電壓采集電路、A/D 轉換器、液晶顯示電路、電壓控制電路共9 個部分組成。軟件程序主要由主程序、A/D 轉換子程序、液晶顯示子程序、變壓器初級驅動電路導通子程序組成。

經過測試，該設計的大部分功能已基本實現。與傳統防霧霾口罩相比，該裝置具有實用性強、方便使用等優點。該儀器仍有一些可以改進的地方，例如，整流3 倍電壓部分，理想狀態下是將初級輸出電壓放大3 倍，但是實際效果達不到3 倍，另還有裝置整體的外觀和體積等都需要進一步改進。