基于单片机的家用制氧机电控系统优化设计

2013-09-15周传运李汉挺孟凡文

机电工程 2013年8期

周传运，李汉挺，孟凡文

（1.济宁职业技术学院电子信息工程系，山东济宁 272037；2.济宁职业技术学院机电工程系，山东济宁 272037）

0 引言

家用制氧机多通过变压吸附式（PSA）的方式制取高浓度的氧气［1］，其基本结构包括气路系统和电气控制系统。电气控制系统的主要任务是控制压缩机和电磁阀，以及为实现操作的方便性而增设的LED或LCD指示电路。张万林等［2］提出用光电耦合器驱动固态继电器从而驱动电磁阀的方案，用光电二极管指示灯显示机器的运行状态。由于采用了固态继电器，其设计较高。沈克宇等［3］在移动式制氧机一文中提出压缩机采用无刷直流电机、指示电路采用触摸屏的方案，同时加装氧浓度传感器。这种设计在功耗、噪音、操作的方便性等方面上具有优势，较适合于高端机。当前，采用一级提取的方式，使氧浓度达到95%及以上，现有的PSA技术很难达到［4］。冯念伦等［5］指出了PSA技术的3个发展方向:即提升分子筛性能、改进吸附流程、优化电控系统。在这些方面有所突破的话，有可能使出氧浓度进一步提升。

本研究在综合考虑各种文献提出的方案基础上，并经过市场调研提出用达林顿管直接驱动电磁阀、压缩机采用继电器控制和用LCD作为显示界面的设计方案。整个设计充分体现功能可靠、设计简洁、成本较低的特点。

1 硬件系统设计

1.1 电源系统

电源系统的组成如图1所示。

图1 电源系统

出于成本控制的需要，本研究采用一进二出的变压器，原边电源为220 V，副边分别为AC8.5 V、14 V，经整流滤波稳压后为DC5 V、12 V。DC5 V电源供给上、下位单片机、六反相器、液晶显示器使用，DC12 V电源提供给压缩机继电器、蜂鸣器和功率驱动管ULN2003使用［6］。由于DC12 V电源直接推动两个电磁阀的动作，负荷较重，稳压块MC7812须选用额定输出电流较大的规格，最好能达到1 A。

1.2 压缩机和电磁阀控制系统

该系统集成在下位机电路板上，下位机系统如图2所示。

图2 下位机系统

从控制的方便性考虑，本研究选用宏晶电子的STC12C2052作为控制芯片［7］。该芯片超小封装，仅20个管脚，时钟周期等于机器周期，而且功耗非常低，正常工作时为7 mA。家用制氧机的出氧量一般控制在5 L/min以内，采用的无油压缩机的输入电功率多在300 W以下。从制氧机原理图中可以看出，系统需要两个电磁阀，每个电磁阀均采用制氧机专用的DC12 V/3 W规格。STC12C2052输出信号进入CD40106B六反相施密特触发器，由触发器对控制信号进行缓冲整形，调理后的信号直接输入到功率驱动元件ULN2003。该芯片每个管脚的灌流电流可达300 mA，可直接用来驱动继电器和电磁阀。继电器采用DC12 V/8 A规格，图2中，CON4接口在电路板覆铜时1、4相连，2、3相连，确保压缩机可靠运行。图2中CON3接口的3、4端和5、6端分别接两个电磁阀。基于运行的可靠性，使ULN2003的两个管脚并联后驱动一个电磁阀，其灌流电流达600 mA，大于电磁阀的工作电流。CON3接口的1、2端接排水电磁阀，用于每次制氧结束后排出管路中的凝结水。

1.3 显示和操作系统

该系统集中在上位机电路板中，上位机系统如图3所示。

图3 上位机系统

上位机采用的芯片为89C52［8］，主要功能为处理手动操作指令、驱动LCD显示。LCD使用接口为16位并口8080时序的12864规格显示屏，用于显示生产商、开关机等信息。CON2的1～8为数据接口，9脚为电源，10脚接地，11脚背光显示调节，12～16为功能引脚。手动操作指令通过复合功能按键S1、S2、S3来实现。S1为强制中断按键，按下S1后，通过S2、S3配合调节下位机电磁阀通断电时间，从而调节吸附塔内的压力，间接调节出氧浓度；再次按下S1，即退出压力调节模式进入正常工作模式。在正常工作模式下，S2为开关机按键、S3为工作时间设定按键。

1.4 上下位机通讯系统

上、下位机采用串行通讯，图3显示，CON1为通讯接口，同时上位机需用的DC5 V电源通过此接口采集，因为DC12 V、DC5 V两个电源均集成在下位机电路板中。下位机通过通讯接口采集上位机的开关机、电磁阀设定工作周期等指令信息，从而驱动压缩机和电磁阀的工作。

2 程序设计

程序设计时要重点考虑两电磁阀的工作周期和交错时间。由于压缩机连续运转，一定要确保压缩空气顺畅地进入到吸附塔。若气路堵塞，将会使排气压力迅速升高，造成管路爆破事故。

A、B电磁阀的时序图如图4所示。

图4 电磁阀时序

高电平表示电磁阀打开，压缩机排气管路通畅；低电平时电磁阀关闭，气路阻塞。从图4中可以看出，A阀关闭时，B阀已提前1.25 s打开；A阀打开时，B阀滞后1.25 s关闭，即每个阀都呈现出“提前打开、延迟关闭”的特点。该图显示每个阀的工作周期都是12.5 s。试验结果表明，改变阀的工作周期即可改变出氧浓度，增大周期，出氧浓度增大，减小周期，氧气浓度减少。合理控制电磁阀的工作周期，其出氧浓度可达90%以上，可达到医用要求。规格不同的制氧机，其出氧浓度曲线也不同，需要通过多次试验才能找出最佳的电磁阀通电周期。基于以上事实，在程序运行通过后，需反复调试电磁阀的工作周期。

整个系统的程序框图如图5所示［9-10］。图5中提及的设置键即图3中S1、开关键为S2、定时键为S3。

图5 程序框图

3 试验结果

该产品完成后，笔者在本地企业生产的5 L/min制氧机上进行了测试。测试按照医药行业标准YY／T0298-1998《医用分子筛制氧设备通用技术规范》所规定的项目逐项进行［11］。

3.1 环境测试

（1）低温贮存试验，断电后将样机放入-40℃的低温箱中4 h后取出，在室温环境中恢复4 h，再进行测试。

（2）高温贮存试验，断电后将样机放入55℃的老化车间4 h，在室温环境中恢复4 h，再进行通电试机。

（3）额定高温运行测试，在40℃的环境中，通电试机1 h。

机器在上述各类环境下测试均能正常工作。

3.2 氧浓度测试

前文已叙述，出氧浓度可改变电磁阀的交替工作时间进行调整。测试时本研究首先验证出氧浓度的可调性，然后再依据技术规范设定氧浓度≥90%时设定电磁阀的转换时间。测试方法为:在室温环境下开机运行稳定后即用氧浓度测试仪在出氧口进行测试。两者的关系如图6所示，从图6中可以看到在交替时间为7.5 s时出氧浓度即达到90%，再增大交替时间，其氧浓度变化很小，但整机功耗却增加很多。一般把电磁阀的交替间隔设置为7 s～8 s较好。

图6 电磁阀交替时间与出氧浓度关系

3.3 其他测试

本研究对通用技术规范要求的其他一系列指标分别进行了测试，均能达到预期效果。如:待机功耗≤2 W，整机连续运转12 h性能稳定，短时间内多次开关机均能正常运行等。

4 结束语

本研究从软、硬件两个方面介绍了家用制氧机的电气控制设计系统，以89C52和STC12C2052分别作为上下位机控制芯片，LCD作为人机对话的显示界面，采用C语言编程。整个系统具有设计简洁、运行可靠、成本较低的特点，能够满足企业的技术要求。该设计没有设置压力报警功能，生产企业在采用该方案时需要在压缩机排气口设置一机械式泄压阀，以进一步提高使用的安全性。

随着生活水平的提高，人们的保健意识逐渐增强，制氧机正逐步走向寻常百姓家，并成为家电电器，具有较大的市场空间。家用制氧机在产品外观、操作方便、运行稳定、浓度可调等方面还有进一步提升的空间，这都是专业技术人员需要努力的方向。

（References）:

［1］毕光迎.医用分子筛制氧机的应用研究［J］.医疗装备，2009（9）:21-23.

［2］张万林，葛立峰.基于单片机的制氧控制系统［J］.自动化与仪表，2007，22（5）:31-33.

［3］沈克宇，熊伟，李志俊，等.移动式制氧设备控制系统设计［J］.湖南工业大学学报，2008，22（6）:68-71.

［4］吴昊.变压吸附制氧技术研究［D］.武汉:华中科技大学能源与动力工程学院，2008.

［5］冯念伦，夏文龙，孙铁军.医用分子筛变压吸附制氧技术的探讨［J］.中国医学装备，2006，11（3）:39-41.

［6］宏晶科技有限公司.STC12C2052AD系列单片机器件手册［M］.深圳:宏晶科技（深圳）有限公司，2005.

［7］南国国芯微电子有限公司.STC89C51RC/RD系列单片机器件手册［M］.深圳:南国国芯微电子有限公司，2011.

［8］杨振江.单片机应用与实践指导［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2010.

［9］武亚平.基于单片机技术研究DXD系列包装机的控制系统［J］.包装与食品机械，2013（2）:31-33.

［10］刘润生，高文焕.电子线路基础［M］.北京:高教出版社，1997.