摘  要： 介绍了一种以ATmega16芯片为主控制器的空气波压力治疗仪的控制系统。系统中气压信号的采集使用了SSCDANN400MGAA5型压力传感器，充气气泵由光电耦合器MOC3021向双向晶闸管发出触发信号来控制。

　　关键词： 空气波压力治疗仪；ATmega16；压力传感器

　　空气波压力治疗仪主要通过对多腔气囊有顺序地反复充放气，形成了对肢体和组织的循环压力，对肢体的远端到肢体的近端进行均匀有序的挤压，促进血液和淋巴的流动及改善微循环，加速肢体组织液回流，其原理如图1所示[1]。空气波压力治疗仪在临床上的应用有助于预防血栓的形成和预防肢体水肿，能够直接或间接治疗与血液淋巴循环相关的诸多疾病。因此该治疗仪的研制具有较高的使用价值和市场前景[2]。

　　1 系统介绍

　　空气波压力治疗仪主要由包裹肢体的气囊、气管、气泵和控制系统组成，其工作过程如图2所示。以四腔气囊为例：首先对肢体最远端的第1个腔充气达到预置压力，继而对第2个腔充气，同时第一个腔放气，如此继续，直到第4个腔达到预置压力，至此系统完成了一个工作周期。在设定好的时间范围内，系统将会重复这一过程。本文重点讨论该治疗仪的控制系统部分。

　　2 硬件设计

　　系统的结构框图如图3所示，主要由ATmega16、电源模块、压力传感器电路、气泵、电磁阀接口电路以及按键、数码管和蜂鸣器等人机交互器件构成。

　　2.1 ATmega16及外围电路

　　ATmega16是AVR公司推出的一款8位高性能、低功耗单片机，采用5 V工作电压。系统采用片内RC振荡器提供4 MHz的时钟信号，系统上电自动复位，并预留了ISP（在线编程）接口[3]。

　　系统中按键有启停、增加时间、减少时间3个，直接与ATmega16的PA2~PA4端口相连，采用软件方式去抖。显示模块采用2位0.36英寸共阴极数码管，用来显示剩余治疗时间，同时有若干个LED显示工作模式和状态。

　　2.2 压力传感器模块

　　系统采用的压力传感器为Honeywell公司生产的SSCDANN400MGAA5。工作电压为5 V，电流为2 mA，压力类型为Gauge，范围为0～400 mbar，端口类型为single axial barbed，大小为4.93 mm[4]。该传感器内部集成有信号放大电路，直接将压力信号转换为模拟电压信号。压力信号与输出模拟电压值的函数关系如图4所示。输出电压值公式为：

　　输出电压值=0.8×Vsupply×(压力值-Pmin)/(Pmax-Pmin)+

　　0.1×Vsupply

　　其中，Vsupply为5 V工作电压，Pmax为最大压力值400 mbar，Pmin为最小压力值0 bar，代入公式可以得到输出电压值与当前压力值的线性关系，进而算得输出电压值的范围为0.5 V～4.5 V。传感器输出的模拟电压信号由ATmega16的ADC0引脚采集并进行模数转换。

　　该传感器为DIP（双列直插）封装，8个引脚，其中第2引脚为电源端，第3引脚为信号输出端，第4引脚接地，其他引脚悬空，电路如图5所示。

　　2.3 电源模块

　　系统的电源有交流220 V、直流5 V和12 V 3个部分，气泵使用220 V交流电源，电磁阀使用12 V电源，ATmega16及外围电路(包括压力传感器)使用5 V电源。220 V市用交流电通过变压器降压、整流滤波后经过78M12芯片稳压得到12 V电源，再经过78M05芯片稳压得到5 V电源，电路如图6所示。

　　2.4 气泵模块

　　气泵采用的型号为PCF5015N，它的启停由MOC3021和双向晶闸管来控制。MOC3021是一款可控硅输出的光电耦合器，用来隔离单片机系统和双向晶闸管。双向晶闸管可以双向导通，即门极加上正的或负的触发电压，均能触发双向晶闸管正、反两个方向导通，通过双向晶闸管来控制气泵接口的电源通断。工作过程中，系统软件根据气压的大小计算出相应的导通角，控制双向晶闸管触发电路输出不同的电压给气泵，从而保持设定的气压。

　　空泵模块电路如图7所示。单片机的PB0口输出高电平时，三极管Q110处于饱和状态，MOC3021的输入端有电流输入，导通，触发外部双向晶闸管T101导通；输出低电平时，Q110截止，MOC3021输入端无电流输入，双向晶闸管关断。电路中R140为触发限流电阻；R141为T101门极电阻，防止误触发，提高抗干扰能力；R139和C115为RC阻容吸收电路，用于过电压保护。

　　2.5 电磁阀接口

　　电磁阀的数量与气囊的腔数有关，本系统中采用四腔气囊，应使用4个电磁阀。ATmega16的I/O口输出电流不足以驱动电磁阀，因此采用三极管灌电流的方式来驱动电磁阀工作，使用ATmega16的PC4~PC7端口分别控制这4个电磁阀。单个电磁阀的控制电路如图8所示，其中D107是续流二极管，用来保护电磁阀。

　　3 软件设计

　　本系统的软件设计流程如图9所示。系统上电后，首先初始化，等待用户通过按键调整治疗时间和模式。系统的时间设置有10 min、20 min、30 min、40 min 4挡。系统开始工作后，首先启动气泵给第1个气囊充气，在充气过程中，开始实时采集气囊中的气压，当气压值达到预定值（可设置为最大值400 mbar）后，保持某段预定时间，然后切换给第2个气囊充气，同时打开第1个电磁阀接口对第1个气囊放气，依此重复。一个工作周期之后，判断治疗时间是否用完，如果时间剩余为0，则启动有源蜂鸣器发声报警，提示用户结束治疗过程。

　　本文介绍的系统具有控制简单、成本低的特点，已制作出样机，经测试效果良好。在后续的系统改进中，会考虑增加开关电源和锂电池充放电电路，以降低系统的功耗，增加系统的便携性。

　　参考文献

　　[1] 贺修君，邓雪辉，何姣华.空气波压力治疗仪在全髋关节置换术后预防下肢深静脉血栓形成中的应用[J].当代护士（专科版），2010，3(10)：35.

　　[2] 李晓英.空气波压力治疗仪在深静脉血栓形成中的应用[J].齐鲁护理杂志，2011，17(5)：124.

　　[3] 刘海成.AVR单片机原理及测控工程应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

　　[4] Silicon pressure sensors:SSC series-standard accuracy[Z].Honeywell，2009.