具有氧浓度监测功能的家用制氧机设计

周国辉，洪波，王斌，郭远亮，欧阳廷明，曾树洪

（1.惠州市集迅电子有限公司，惠州 516269；2.电子科技大学光电信息学院，成都 610054；3.惠州学院计算机系，惠州 516007）

具有氧浓度监测功能的家用制氧机设计

周国辉1，洪波1，王斌1，郭远亮1，欧阳廷明2，曾树洪3

（1.惠州市集迅电子有限公司，惠州 516269；2.电子科技大学光电信息学院，成都 610054；3.惠州学院计算机系，惠州 516007）

基于变压吸附技术工艺制取氧气原理，设计包括无油空气压缩机、双分子筛交换及分离阀模块、氧浓度检测及智能主控模块等构成的家用制氧机。通过检测氧浓度优化分离阀的开启时序，改变吸附周期以及分配进气和排气流动方向提高制氧效率，所开发的产品实现产业化，为家用制氧机的设计提供借鉴。

0 引言

随着人们生活水平的提高和对健康需求的意识不断增强，吸氧将逐步成为家庭保健的一种时尚。制氧有多种方法，至于家用制氧机，市面上有多种家用制氧机，由于制氧的原理不同，各家用制氧机的使用特点也就不同。家用制氧机制工作原理分类主要有电子制氧机、分子筛式制氧机、化学药剂制氧机以及富氧膜制氧机等四种方法。分子筛制氧机是目前唯一成熟的，具有国际标准和国家标准的制氧机。

本文研究并设计了一种具有氧浓度检测的医用制氧机，在连续供氧模式下的平均供氧流量为1000ml/min-5000ml/min，氧溶度在不同用氧需求下可达到90%连续输出。

1 工艺设计与控制

1.1 工艺设计

分子筛式制氧机是指以变压吸附(Pressure Swing Adsorption，PSA)为基础，采用物理方法从空气中分离出氧气的设备。其基本原理是根据分子筛在高压下对空气中的氮气具有物理吸附作用，而在低压下分子筛对氮气解除吸附。因此，通过在制氧机通过对分子筛的进气进行加压控制即可将氮气吸附，而未被吸收的氧气被收集到容器中，经过净化处理后即成为高纯度的氧气。达到连续稳定制取氧气，家用制氧机采用低压两塔变压吸附制氧工艺流程，如图1所示。具体工艺是通过无油空气压缩机对经过过滤的空气进行压缩，通过控制切换阀的开启将压缩空气导入吸附塔。在吸附塔内，由于空气压力大氮气被分子筛吸附，因而氧气在吸附塔顶部被聚积后进入氧气储罐，再经适当的异味去除和除尘、除菌过滤以及加湿处理，即获得合格医用级的氧气。

1.2 关键工艺控制

本设计的医用制氧采用气压低于2.5KgPa的吸附工艺，并采用双分子筛塔的Skarstrom循环制氧机形式，为了有效和连续的制氧，必须通过对分子筛的进出气时间、压力进行有效的控制。一个制氧循环的工艺及控制过程是空气经过滤器进入压缩机，通过分子筛对氮气在高压下的吸附而产生氧气输出，气路过程如图2（a）所示；图2（b）则为另一个分子筛加压吸附的气路过程，在这个过程中前一个分子筛在控制阀的相反控制作用下对氮气进行解吸和作为废气排除。以上二者交替工作完成连续生产氧气。从中可以看出控制分离阀以改变吸附周期和分配分子筛的进气和排气时间对制氧过程具有重要影响，本文通过检测氧气浓度进行控制周期的各时间分配提升制氧效率。

图1 医用制氧机工艺流程图

2 系统设计

2.1 系统总体设计

根据技术需求和工艺设计系统总体设计如图3所示。系统控制硬件部分由MCU、电源电路、交替阀、流量阀、按键、显示、报警和信号检测部分等组成。其中MCU选用ST 8位微处理器STM8L151F3，这个是低功耗单片机，可以在断电时以最小功耗保持信息；内部有EEPROM可记录数据，作为断电数据保存用；内置有Watchdog；有12位ADC口，可以进行温度与电压检测；有16位的计时器通道，用作医疗报警信号的模拟。电源电路通过对AC 220V的整流滤波和电压转换为DC 12V。再将DC 12V经LDO转成5V、3.3V供显示以及MCU使用。另有接一个5.5V/1.5F超级电容，若设备发生电源意外中断，将发出报警音，提醒用户。其中温度检测采用在PCB上设置一个NTC温度传感器，以检测设备是否过温，并以风险等级决定是否停机或报警。为了提高系统可靠性，看门狗电路看门狗输入在1.6秒内未触发时被激活。系统中光报警采用了两组灯在不同的情况下显示不同颜色的灯光进行报警提示，当氧浓度大于82%时，显示绿色正常工作信号。当氧浓度低于82%时显示黄色报警图标。当氧浓度低于50%时显示红色报警图标，并以闪烁，提醒操作者。

图2 医用制氧机工艺控制示意图

图3 系统总体设计框图

2.2 主要电路设计

（1）显示和按键电路

按键包括“制氧”、“流量”、“定时”3个。按键有轻触是机械按键，也有电容感应式按键，本产品设计采用触摸按键，按键触摸IC选用YS812,在MCU程序中可以对按键的灵敏度进行调节。电容式触摸按键是通过检测人体手指带来的电荷移动，而判断出人体的触摸动作，进而实现按键功能。

显示使用 LED面板，驱动 IC选用 TM1680。TM1680可以选择多重的ROW/COM模式，同时该芯片还提供了采用软件进行设置的16个级别的PWM控制输出，用于调整LED循环显示的亮度。主控芯片和TM1680采用串行通信方式，只需要简单的命令就可以进入命令模式（COMMAND MDOE）和数据模式（DA⁃TA MODE）,

（2）负载驱动电路

通过ULN2003来驱动交替阀、流量阀和控制压缩机的继电器。ULN2003为可直接驱动继电器等负载的高电压、大电流达林顿阵列结构,具体设计电路如图4所示。

图4 负载驱动电路设计

图5 压缩机工作状态监测电路设计

图6 掉电检测电路设计

（3）信号检测电路

制氧机在运行过程中，需要对氧气浓度、流量、温度进行监测，反馈给MCU，以决定是否停机或报警。

①超声波氧气传感器

选用超声波氧浓度检测是基于成本的考虑，在不改变精度调节下，使用120Hz超声波传感器，采用精确的ADC检测，使氧浓度检测公差控制在±1%；工作电压为12V，具有采集氧气浓度和流量信号的功能，通过串行口与MCU进行数据通信。根据国家制氧机安全专用要求，制氧机应提供氧浓度状态指示器，并且应当具备在成品气中的氧浓度低于82%时，为操作者提供警报。

②压缩机工作状态监测

在压缩机零线上串上一个电流互感器，通过整流，再通过LM358放大得到一个直流电压信号，连到MCU ADC口，以监测压缩机在正常工作还是发生故障，以决定是否停机或报警，具体电路设计如图5所示。

③掉电检测

通过R94和R97分压，连到MCU ADC口，来检测12V电压，以决定是否停机或报警。当12V电压小于11V时，设备会发出断电报警音。

2.3 控制软件设计

程序基于IAR Embedded workbench for STMicro⁃eelectronics STM8 IDE集成开发环境（IDE）使用 Ia⁃rIdePm编译器，采用C语言编程。软件主要完成掉电检测、温度检测、压缩机检测、氧气浓度读取、按键扫描处理、负载控制、LED显示和处理、报警和声音处理、掉电数据保存等功能，采用模块化程序设计方法，主要包括主程序和子程序两部分。主程序流程如图7所示。

图7 控制软件流程

系统上电后，首先进行系统初始化处理，主要包括I/O端口分配初始化、定时器初始化、串口初始化、各中断初始化和其他参数和变量的初始化等。初始化后读取保存的数据和全显2秒，进入循环处理程序。

通过ADC转换子程序检测电源是否掉电、PCB板温度、检测压缩机工作状态。掉电则保存数据，是否重新上电在40秒内可以恢复到之前的工作状态；PCB工作温度大于60℃则打开风扇，关闭压缩机、负离子、电磁阀，显示故障代码E-12，声音报警提示等；检测压缩机是否是空载，是空载则关闭压缩机、负离子、电磁阀，显示故障代码，声音报警提示等。

串口3的中断子程序主要是监测氧气浓度数据。当氧气浓度连续低于82%达到10秒时进行提示音和故障代码等警告报警，当氧气浓度连续10秒低于50%时进行严重报警，严重提示音和故障代码。

按键扫描子程序主要是判断是否有触摸按键按下。有键按下时通过识别按键编码执行相应功能的子程序，包括“制氧”、“流量”“定时”等功能子程序序。实现流量调节、定时时间设定等功能。

3 结语

本文所设计的医用制氧机，通过超声的方式实现氧浓度的连续检测，实现了连续制氧，并符合医疗认有证，本文通过规范化的设计，能用1000mL/min.,2000mL/min.，3000mL/min,5000mL 以及 10000mL/min.的小型化医用制氧机。系统设计稳定，并有智能化的内部错误检测，报警信号符合国家及国际标准，已通国家医检测试，达到产业化要求。在可靠性测试中稳定，给公司带来较好的销售效益，用户反馈良好。

[1]李杰,周理.变压吸附空分制氧的技术进展[J].化学工业与工程,2004(03)：201-205

[2]陈平,朱孟府,于佳等.便携式制氧机研制[J].医疗卫生装备,2013，34(10)：77-79

[3]刘婷,黄明,丛茂柠．透射式脉搏血氧饱和度检测系统的设计与实现[J].中国医疗设备，2012，27(12)：55-58

Design of Household Oxygen Generator with Monitoring of Oxygen Concentration

ZHOU Guo-hui1，HONG Bo1，WANG Bin1，GUO Yuan-liang1，OUYANG Ming-ting2，ZENG Shu-hong3
（1.Huizhou Gisun Electronic Co.,Ltd.,Huizhou 516269；2.School of Optoelectronic Information,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054;3.Department of Computer Science,Huizhou University,Huizhou 516007）

Based on the principle of producing oxygen by PSA technology,designs a household oxygen generator consisting of oil-free air compressor,bimolecular sieve exchange and separating valve module,detection of oxygen concentration and intelligent master module.By means of de⁃tecting the concentration of oxygen to optimize the sequence of separating valve,changing the adsorption period and distributing the direc⁃tion of intake and exhaust to improve the efficiency of oxygen production,successfully industrializes the generator production,and provides a possible solution of household oxygen generator.

惠州市科技计划项目（No.2015B010002005、2014B020004020）、广东省高等学校教学质量与改革工程本科类资助项目(粤高教函【2013】113号-113)

1007-1423（2017）23-0068-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.23.016

周国辉（1976-），男，大学，从事领域为电子产品设计与研发管理工作

洪波（1972-）,男，大学，从事领域为电子产品设计与项目管理工作

王斌（1987-）,男，大学，从事领域为电子产品设计工作

郭远亮（1982-）,男，大学，从事领域为电子产品软件设计工作

欧阳明廷（1996-），男，大学，在读本科生，研究方向为物联网、智能算法

曾树洪（1979-），男，四川泸州人，研究生，高级实验师，从事领域为网络技术研究工作

2017-08-03

2017-08-10

变压吸附制氧；氧溶度检测；双分子筛

PSA Oxygen Production;Detection of Oxygen Concentration;Bimolecular Sieve