摘 要： 介紹了一種以ATmega16芯片為主控制器的空氣波壓力治療儀的控制系統。系統中氣壓信號的采集使用了SSCDANN400MGAA5型壓力傳感器，充氣氣泵由光電耦合器MOC3021向雙向晶閘管發出觸發信號來控制。
關鍵詞： 空氣波壓力治療儀；ATmega16；壓力傳感器
空氣波壓力治療儀主要通過對多腔氣囊有順序地反復充放氣，形成了對肢體和組織的循環壓力，對肢體的遠端到肢體的近端進行均勻有序的擠壓，促進血液和淋巴的流動及改善微循環，加速肢體組織液回流，其原理如圖1所示[1]。空氣波壓力治療儀在臨床上的應用有助于預防血栓的形成和預防肢體水腫，能夠直接或間接治療與血液淋巴循環相關的諸多疾病。因此該治療儀的研制具有較高的使用價值和市場前景[2]。
1 系統介紹
空氣波壓力治療儀主要由包裹肢體的氣囊、氣管、氣泵和控制系統組成，其工作過程如圖2所示。以四腔氣囊為例：首先對肢體最遠端的第1個腔充氣達到預置壓力，繼而對第2個腔充氣，同時第一個腔放氣，如此繼續，直到第4個腔達到預置壓力，至此系統完成了一個工作周期。在設定好的時間范圍內，系統將會重復這一過程。本文重點討論該治療儀的控制系統部分。
2 硬件設計
系統的結構框圖如圖3所示，主要由ATmega16、電源模塊、壓力傳感器電路、氣泵、電磁閥接口電路以及按鍵、數碼管和蜂鳴器等人機交互器件構成。
2.1 ATmega16及外圍電路
ATmega16是AVR公司推出的一款8位高性能、低功耗單片機，采用5 V工作電壓。系統采用片內RC振蕩器提供4 MHz的時鐘信號，系統上電自動復位，并預留了ISP（在線編程）接口[3]。
系統中按鍵有啟停、增加時間、減少時間3個，直接與ATmega16的PA2~PA4端口相連，采用軟件方式去抖。顯示模塊采用2位0.36英寸共陰極數碼管，用來顯示剩余治療時間，同時有若干個LED顯示工作模式和狀態。
2.2 壓力傳感器模塊
系統采用的壓力傳感器為Honeywell公司生產的SSCDANN400MGAA5。工作電壓為5 V，電流為2 mA，壓力類型為Gauge，范圍為0～400 mbar，端口類型為single axial barbed，大小為4.93 mm[4]。該傳感器內部集成有信號放大電路，直接將壓力信號轉換為模擬電壓信號。壓力信號與輸出模擬電壓值的函數關系如圖4所示。輸出電壓值公式為：
輸出電壓值=0.8×Vsupply×(壓力值-Pmin)/(Pmax-Pmin)+
0.1×Vsupply
其中，Vsupply為5 V工作電壓，Pmax為最大壓力值400 mbar，Pmin為最小壓力值0 bar，代入公式可以得到輸出電壓值與當前壓力值的線性關系，進而算得輸出電壓值的范圍為0.5 V～4.5 V。傳感器輸出的模擬電壓信號由ATmega16的ADC0引腳采集并進行模數轉換。
該傳感器為DIP（雙列直插）封裝，8個引腳，其中第2引腳為電源端，第3引腳為信號輸出端，第4引腳接地，其他引腳懸空，電路如圖5所示。
2.3 電源模塊
系統的電源有交流220 V、直流5 V和12 V 3個部分，氣泵使用220 V交流電源，電磁閥使用12 V電源，ATmega16及外圍電路(包括壓力傳感器)使用5 V電源。220 V市用交流電通過變壓器降壓、整流濾波后經過78M12芯片穩壓得到12 V電源，再經過78M05芯片穩壓得到5 V電源，電路如圖6所示。
2.4 氣泵模塊
氣泵采用的型號為PCF5015N，它的啟停由MOC3021和雙向晶閘管來控制。MOC3021是一款可控硅輸出的光電耦合器，用來隔離單片機系統和雙向晶閘管。雙向晶閘管可以雙向導通，即門極加上正的或負的觸發電壓，均能觸發雙向晶閘管正、反兩個方向導通，通過雙向晶閘管來控制氣泵接口的電源通斷。工作過程中，系統軟件根據氣壓的大小計算出相應的導通角，控制雙向晶閘管觸發電路輸出不同的電壓給氣泵，從而保持設定的氣壓。
空泵模塊電路如圖7所示。單片機的PB0口輸出高電平時，三極管Q110處于飽和狀態，MOC3021的輸入端有電流輸入，導通，觸發外部雙向晶閘管T101導通；輸出低電平時，Q110截止，MOC3021輸入端無電流輸入，雙向晶閘管關斷。電路中R140為觸發限流電阻；R141為T101門極電阻，防止誤觸發，提高抗干擾能力；R139和C115為RC阻容吸收電路，用于過電壓保護。
2.5 電磁閥接口
電磁閥的數量與氣囊的腔數有關，本系統中采用四腔氣囊，應使用4個電磁閥。ATmega16的I/O口輸出電流不足以驅動電磁閥，因此采用三極管灌電流的方式來驅動電磁閥工作，使用ATmega16的PC4~PC7端口分別控制這4個電磁閥。單個電磁閥的控制電路如圖8所示，其中D107是續流二極管，用來保護電磁閥。
3 軟件設計
本系統的軟件設計流程如圖9所示。系統上電后，首先初始化，等待用戶通過按鍵調整治療時間和模式。系統的時間設置有10 min、20 min、30 min、40 min 4擋。系統開始工作后，首先啟動氣泵給第1個氣囊充氣，在充氣過程中，開始實時采集氣囊中的氣壓，當氣壓值達到預定值（可設置為最大值400 mbar）后，保持某段預定時間，然后切換給第2個氣囊充氣，同時打開第1個電磁閥接口對第1個氣囊放氣，依此重復。一個工作周期之后，判斷治療時間是否用完，如果時間剩余為0，則啟動有源蜂鳴器發聲報警，提示用戶結束治療過程。
本文介紹的系統具有控制簡單、成本低的特點，已制作出樣機，經測試效果良好。在后續的系統改進中，會考慮增加開關電源和鋰電池充放電電路，以降低系統的功耗，增加系統的便攜性。
參考文獻
[1] 賀修君，鄧雪輝，何姣華.空氣波壓力治療儀在全髖關節置換術后預防下肢深靜脈血栓形成中的應用[J].當代護士（專科版），2010，3(10)：35.
[2] 李曉英.空氣波壓力治療儀在深靜脈血栓形成中的應用[J].齊魯護理雜志，2011，17(5)：124.
[3] 劉海成.AVR單片機原理及測控工程應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.
[4] Silicon pressure sensors:SSC series-standard accuracy[Z].Honeywell，2009.