医用超声雾化器控制电路的设计

杨志友

安徽中医药大学第一附属医院 （安徽合肥 230000）

近年来，随着超声技术的发展，医用超声雾化器被广泛用于慢性支气管炎、支气管扩张、哮喘、咽喉炎、鼻炎、肺部感染等呼吸道疾病的治疗及家庭保健中。该设备可将药液雾化成微小颗粒，使其通过呼吸吸入的方式进入呼吸道和肺部沉积，从而达到无痛及有效治疗的目的[1]。

近年来，国内外都对医用雾化器进行了更新与改良，设计出了医用超声雾化器和压缩雾化器。其中，医用超声雾化器已被广泛应用于临床，其由外壳（多由塑料组成，在雾化出口设有风量调节旋钮，面板上有定时器、电源开关、雾量调节旋钮、电源和输出指示灯等）、底座、电源变压器、风扇电机、换能片、储药罐、塑料螺纹管、口含管等组成[2]。雾化器可通过换能器耦合产生高频振荡，并由晶片产生1.7 M 超声波振荡输出，电路多采用单管式输出，有的采用双管式输出。超声波以水为介质，通过水槽底的谐振发射窗使药杯中的水溶性药物雾化成微细的雾粒，然后由送风机将药雾通过螺纹管输送给患者进行吸入治疗，以达到雾化的效果。我们可控制雾化器的具体治疗时间（10～60 min），手动调节雾量。

目前，医用超声雾化器的种类繁多，但智能定时雾化器并不多。基于此，本课题通过由555定时器组成的多谐振荡器和STC89C51单片机的结合，设计出了医用超声雾化器的智能定时控制电路。

1 工作原理及元件介绍

1.1 工作原理

本课题主要采用由555定时器组成的多谐振荡器和STC89C51单片机来设计智能定时控制电路，通过555定时器组成多谐振荡器产生矩形脉冲信号，用滑动变阻器来改变矩形脉冲的占空比，然后将矩形脉冲信号输入STC89C51单片机中，通过单片机的计数功能对外部输入的矩形脉冲信号进行计数来实现智能定时。

因此，本课题将硬件与软件结合，提高了定时控制电路的稳定性，通过编程实现对继电器吸合与断开的控制，从而达到控制医用超声雾化器工作的目的。

1.2 元件介绍

1.2.1 STC89C51单片机

（1）基本组成：STC89C51单片机主要由中央处理单元、片内4K 程序存储器、随机存取器、并行输入/输出口、串行输入/输出口、两个定时器/计数器、时钟电路和中断系统组成[3]。（2）时钟电路与复位电路：时钟电路用于产生STC89C51单片机工作所需要的时钟信号；RST 引脚是复位信号的输入端，为了实现复位操作，必须使RST 引脚上至少保持2个机器周期的高电平，再从高电平变成低电平完成复位，其中复位电路的复位操作包含上电复位、按键电平复位和外部脉冲复位3种。

1.2.2 555定时器

（1）工作原理：555定时器的5引脚经0.01 μF 电容接地，高电压比较器C1的同相比较端和低电平比较器C2的反相比较端的参考电平为2/3Vcc 与1/3Vcc，当阈值输入端TH 的电压大于2/3Vcc，同时触发输入端TR 大于1/3Vcc 时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS 触发器置0，G3输出高电平，放电二极管TD 导通，定时器输出低电平；当阈值输入端TH 的电压小于2/3Vcc，同时触发输入端TR 大于1/3Vcc 时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出高电平，基本RS 触发器保持原状态不变，555定时器输出状态保持不变；当阈值输入端TH 的电压大于2/3Vcc，同时触发输入端TR 小于1/3Vcc 时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出低电平，基本RS 触发器两端都被置1，G3输出低电平，放电二极管TD 截止，定时器输出高电平；当阈值输入端TH 的电压小于2/3Vcc，同时触发输入端TR 小于1/3Vcc 时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，基本RS 触发器置1，G3输出低电平，放电二极管TD 截止，定时器输出高电平[4]。（2）由555定时器组成的多谐振荡器：由555定时器组成的多谐振荡器的内部组成结构见图1，由图分析，555定时器在接通电源后，Vcc 通过R1、R2对电容C 充电，由于刚接通电容瞬间，电容C 来不及充电，电容器两端电压UC为低电平，小于1/3Vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出U0为1，放电管T 截止；当电容C 被充电达到UC大于2/3Vcc 时，高电平触发端与低电平触发端均为高电平，输出U0翻转为0，放电管T 导通，此时电容C 开始通过R2和T 放电，使UC按指数曲线下降；当UC介于1/3Vcc 到2/3Vcc 之间时，高电平触发端为低电平，低电平触发端为高电平，输出维持为0，电容C 继续放电；直到UC再次小于1/3Vcc 时，高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出U0又翻转为1，放电管T 截止，电容C 又开始充电，周而复始振荡，输出U0为矩形波[充电时间T1=（R1+R2）Cln2；发电时间T2= R2Cln2；电路的振荡周期T=T1+T2=（R1+2R2）Cln2 ；振荡频率f=1/T=1/（R1+2R2）Cln2[5]]。

2 课题设计

2.1 医用超声雾化器控制电路的整体结构

在本课题中，医用超声雾化器控制电路共由两部分构成。其中，第一部分是由555定时器组成的多谐振荡器电路，该电路的功能是产生矩形脉冲信号，通过电位器来改变脉冲信号的占空比，从而改变定时时间；第二部分是STC89C51单片机定时电路，该电路的功能是通过采用STC89C51单片机编程对由555定时器组成的多谐振荡器所产生的矩形脉冲信号进行计数，达到定时的功能[6]。

图1 由555 定时器组成的多谐振荡器

2.2 医用超声雾化器控制电路的电源电路和信号产生电路

电源电路和信号产生电路的内部结构见图2，由图分析，电源电路是220 V 交流电经变压器变压后降为12 V，再通过桥式滤波整流和L7812CV 稳压管及L7805CV 稳压管两级稳压之后稳定为+5 V 电压，为555定时器和STC89C51单片机提供电压；信号产生电路主要是由555定时器组成的多谐振荡器产生的矩形脉冲信号，矩形周期T=T1+T2=（R1+2R2）Cln2。

本设计是由信号产生电路和STC89C51单片机的最小系统构成，由555定时器组成的多谐振荡器产生周期T=（R1+2R2）Cln2，将R1、R2和C 的数值带入公式中，周期T约等于10 s，再将上述矩形脉冲信号输入STC89C51单片机最小系统的P3.4引脚，通过程序编程对输入脉冲进行计数，计数数值为60个，即定时10 min[7]。我们可以通过改变多谐振荡器上的电位器数值，从而改变周期T 的值，达到改变定时时间的目的。

图2 控制电路的电源电路和信号产生电路的原理

2.3 STC89C51单片机的程序设计

STC89C51单片机的主程序流程[8]见图3，解读如下：STC89C51单片机在本课题中的主要作用是对由555定时器组成的多谐振荡器所产生的脉冲信号进行计数，首先对STC89C51单片机的参数进行初始化，将输出引脚设置为高电平，即在无输入信号前控制电路不工作；将状态标志位设为1，TMOD 为工作方式控制寄存器，将其设置为0X05，即将STC89C51单片机设置为计数模式，计数器选择T0，其由TR0控制，T0计数器工作在工作方式1，将计数器的初值0XFF、0X10分别送入计数器的高八位和低八位，将TR0设为1，计数器T0开始工作；将ET0设置为1，关中断；将EX0、EX1均设置为1，即外部中断0和1只受用户控制；在中断允许寄存器中出现的EA 是中断的一个控制位，EA=0表示所有中断请求被禁止，若EA=1，则是否允许中断由各个中断控制位决定（在本课题中，将EA 设置为1，即是否允许中断由各个中断控制位决定）；本课题需要计数60个脉冲，当一个信号源产生的脉冲信号进入STC89C51单片机时，先判断其高低电平，当输入为高电平时输出为低电平，计数加1，当输入为低电平时，计数亦加1，然后再判断计数是否达到60个脉冲，达到即进入中断程序，未达到则返回判断高低电平程序，直到脉冲计数达到60，程序中断。

图3 STC89C51 单片机的主程序流程

3 实物展示

图4 医用超声雾化器控制电路实物图

医用超声雾化器工作电路的模拟电路是用蜂鸣器响的次数来代替时间倒计时，实物见图4。综上所述，将由555定时器组成的多谐振荡器和STC89C51单片机结合，可以设计出精准控制雾化时间的医用超声雾化器控制电路。与传统的雾化器比较，本课题的控制电路将硬件与软件结合，提高了设备工作的稳定性，且降低了成本，可被应用于临床，以便提高医师的工作效率及患者满意度。