小型医用空气压缩机系统结构设计与应用

摘要：小型医用空气压缩机重量轻、体积小、结构简单，具有极强的移动性和适应性，主要用于气源装置之中，将原动机的动力能转变为气体压力能，针对当前的小型空气压缩机依赖机械方式调节进气阀，无法连续调节供气量，导致供气压力出现较大的波动，为此，本文提出一种以单片机、智能控制技术为主体的智能化小型医用空气压缩机控制系统，进行小型医用空气压缩机软硬件系统的总体设计和结构设计。

关键词：小型医用空气压缩机;控制系统;结构;设计

空气压缩机是空分设备的关键设备，用于压缩并运送空气，本文设计一种智能化的小型医用空气压缩机控制系统，以C8051F340为核心芯片、外加电能芯片CS5463和温度芯片DS18B20，测量电机的电压、电流和温度值，由外加湿度传感器DHT11采集空气的湿度值，由外加压力传感器采集并输出压力，较好地满足使用要求。

1 小型医用空气压缩机控制系统设计总述

小型医用空气压缩机控制系统设计包括电动机、压缩泵、储气罐、输出阀等构件，采用模块化理念进行设计，系统内置处理器模块、电机模块、温度湿度模块、压力模块、其他功能模块，各系统功能主要包括以下内容：（1）单片机控制电路。该单元涵盖有CPU模块和I/O模块，进行测量结果的处理及输入输出串口的控制。（2）电压电流模块。当电压低于AC198V时报警，低于AC195V时强制切断电源。（3）湿度模块。显示系统当前湿度值。（4）温度模块。当温度高于70℃时报警，高于80℃时强制切断电源。（5）压力模块。设置空压机自启压力，在储气罐压力低于该值时启动压缩机。（6）排水模块。开机状态下间隔2小时打开一次排水电磁阀，持续时间为2s。（7）触摸屏彩色液晶显示器。进行温度、湿度、电压的控制界面按键操作，输入测量过程启动及中断等指令，并进行测量结果的存储、查询、处理和输出。

2 小型医用空气压缩机控制系统硬件设计

2.1 处理器模块

系统采用C8051F340单片机作为主控制器，内置流水线结构的8051兼容的微控制器内核，采用全速、非侵入式的在线系统调试接口，设计有USB功能控制器、集成收发器、FIFO RAM、单端/差分ADC、电压基准和温度传感器、电压比较器、内部振荡器、FLASH存储器等，完成各项数据采集、测算和通信。在C8051F340单片机之中，设置有与8051完全兼容的CIP51微控制内核，有标准的8051程序和数据地址配置，使用芯片内部振荡器提供系统时钟。设计有5个I/O引脚作为模拟输入，其余35个引脚作为数字I/O引脚，并选择UART0和UART1实现串口通信，用于帧错误检测和地址识别硬件。C8051F340内部还设置有10位ADC和一个差分输入多路选择器，其子系统集成有两个通道模拟多路选择器和一个10位逐次带近寄存器型ADC[1]。

2.2 电动机供电模块

系统采用CS5463测量空气压缩机的电压和电流，利用分压电阻器或电压互感器测量电压，利用分流器或电流互感器测量电流，进行有功功率、无功功率的参数计算。同时，模块内设温度传感器，进行温度漂移误差的合理调整，有效提高测量精度。选取10X可编程增益放大器实现增益，并选取150kΩ的电阻对作为串联电阻对。

2.3 温度/湿度模块

系统选取最新单总线数字温度传感器DS18B20作为温度模块，体现出其高集成度、高精准度、高可靠性的特点。该模块采用独特的单线总线接口方式，支持多点组网，通过编程设定对应的分辨率，具有极快的转换速度和抗干扰纠错能力。湿度模块采用DHT11测量空气压缩机内的湿度，利用数字模块采集技术和温湿度传感技术，进行全量程标定校准和单线数字输出，湿度测量范围为20%90%RH，精度为±5.0%RH;温度测量范围为0+50℃，精度为±1.0℃。

2.4 压力模块

本系统采用金属电阻进行压力信号的采集，通过内置的两个压力传感器测量罐内压力和调压阀后续的输出管路内的压力。同时，在进行输出阀后续的输出管路内的压力调节时，可以采用将脉冲信号转变为直线位移或角位移的步进电机，如：混合式步进电机17H18504A2，通过定子和转子进行旋转角度和转动速度的高精度控制。

2.5 通信模块

系统采用MAX3232E电平转换芯片，进行单片机与微型计算机的通信以及单片机远程通信，在通信模块中的LCD显示部分主要采用液晶触摸屏显示模块DMT80480C050。

2.6 其他辅助模块

系统数字部分供电采用+5V电源线输入供电，模拟部分供电采用TC7660电压转换器进行供电。排水部分则选用放水阀固态继电器，通过控制电磁阀的通断方式进行排水。报警部分则选取7407驱动器和扬声器，进行系统初始化時，要预设温度及压力的上、下限温度，将测定数据与设定值比对，对于超出或低于阈值的情形则启动报警功能。

3 小型医用空气压缩机控制系统软件设计

3.1 电压电流模块的软件设计

进行CS5463的初始化操作，设置工作模式进行读写控制，在启动模数转换的前提下，进行数据读取、处理、存储和显示，并采用C程序语言进行编写，体现出模块化和逻辑性的特点。

3.2 温度/湿度模块的软件设计

基于DS18B20通讯协议，进行该模块的启动转换，结合不同转换精度选择适宜的转换时间，并读取温度数据，显示相关参数。湿度模块软件结构主要包括DHT11的初始化以及数据的读取、显示等。

3.3 压力模块的软件设计

该模块的软件设计包括以下主要配置：模拟多路选择器、ADC0CN：ADC0控制寄存器、REFOCN：电压基准控制寄存器[2]。

4 小结

总之，小型医用空气压缩机系统采用模块化设计理念进行总体设计和软硬件设计，后续还要进一步对压缩机监测数据进行校准，不断提升小型医用空气压缩机控制系统的使用性能。

参考文献：

[1]赖莉芬，曹阳，舒六一，刘方，马洋，韩志海.医用压缩空气系统对呼吸机应用安全的影响因素及应对措施[J].中国医疗设备，2015（10）.

[2]蒋丹，单明.浅谈医用压缩空气系统及应用[J].医疗装备，2012（12）.

作者简介：周宗海（1987），男，汉族，安徽安庆人，本科，助理工程师，目前从事医疗器械设备的结构设计工作。