便携式变压吸附制氧机控制系统设计

刘志猛，陈 平，詹宁波，高 磊，杨 坤*，朱孟府*

（1.解放军总医院第五医学中心医学工程科，北京 100039；2.军事科学院系统工程研究院卫勤保障技术研究所，天津 300161）

0 引言

氧气是人类活动必需的物质，是人类生命的基本要素[1]。制氧设备是重要的医疗技术保障设备，也是战伤救治的重要装备[2]。变压吸附法制氧由于能耗低、无污染以及投资少等特点，自20世纪60年代以来在中小型制氧设备中广泛应用[3-4]。变压吸附法制氧的原理是：由于分子筛对氧和氮的吸附能力的差异，在加压条件下吸附氮气，分离出氧气；在减压下脱附氮气以再生分子筛，从而分离空气中的氧和氮[5-7]。目前的变压吸附制氧设备体积、质量都较大，不适合野外或车载便携使用。便携式变压吸附制氧机一般指能够便携使用、自备电源且质量较轻的变压吸附制氧设备，而国内目前对便携式变压吸附制氧机的研究较少，且其控制系统体积大、自动化程度低、稳定性差[5，8]。因此本研究结合变压吸附制氧的工艺流程，开发设计了便携式变压吸附制氧机的控制系统，从而为便携式制氧机的深入研究提供技术支持。

1 变压吸附制氧工艺流程

为研制便携式变压吸附制氧机，结合变压吸附制氧的原理，首先确定了变压吸附制氧的工艺流程，如图1所示。为降低便携式变压吸附制氧机的体积和质量，本实验采用两塔制氧工艺。两塔变压吸附制氧工艺具有结构简单、维护方便、成本低廉等优点，2个吸附塔交替循环，可实现连续不间断制氧，还能有效降低制氧机的体积和质量[9-10]。同时，为提高产氧体积分数、降低能耗，本实验采用具有均压工艺的实验流程[11]。

图1 便携式变压吸附制氧工艺流程

2 硬件设计

便携式变压吸附制氧机的控制系统以C8051F310单片机为控制核心。C8051F系列单片机是美国Silicon Labs公司生产的新一代单片机，具有高速指令处理能力，增加了中断源和复位源，同时完全兼容MCS-51指令集，对其进行软件开发十分方便[12-14]。控制系统涉及的外围电路主要有电源电路、负载驱动电路、空气压缩机驱动电路等，其硬件结构框图如图2所示。

图2 控制系统硬件结构框图

2.1 电源电路设计

便携式变压吸附制氧机的空气压缩机和电磁阀采用DC 12 V供电，而C8051F310单片机工作电压为DC 3.3 V，因此首先设计电源转换电路，采用7805芯片将DC 12 V降压至DC 5 V，再采用AS117芯片将电压降至3.3 V，供单片机使用。具体电源转换电路如图3所示。

图3 电源转换电路原理图

2.2 负载驱动电路设计

便携式变压吸附制氧机的主要工作负载为空气压缩机和电磁阀。组合电磁阀有效降低了制氧机的体积和质量，同时增加了制氧机的稳定性。由于空气压缩机和电磁阀的工作电压为DC 12 V，单片机工作电压为DC 3.3 V，不足以驱动空气压缩机和电磁阀。因此单片机输出信号由74LVC04逆变器和达林顿管ULN2003放大，驱动空气压缩机和电磁阀。ULN2003是一种复合晶体管阵列，具有耐高温高压、带负载能力强等优点，而且集成有续流二极管，可直接驱动继电器等大电流的负载。空气压缩机及电磁阀的驱动电路原理图如图4所示。

图4 负载驱动电路原理图

2.3 空气压缩机驱动电路设计

空气压缩机是便携式变压吸附制氧机的核心动力元件，它将周围空气吸入压缩机内部，空气经压缩后进入吸附塔中，是制氧的关键。本制氧系统选用Thomas微型无刷直流压缩机，具有运行平稳、流量大、振动小、噪声和能耗低等特点。无刷直流电动机需有专用的无刷直流驱动电路控制电子换向器才能工作，因此设计了以JY01为核心的电动机驱动电路，其原理示意图如图5所示。JY01是驱动直流无刷电动机的专用控制芯片，具有速度线性调节功能和过流、欠压、短路保护的能力。其中MA、MB、MC上下臂的输出驱动信号分别由 AT、AB，BT、BB，CT、CB表示，霍尔转子的位置信号由Ha、Hb、Hc表示，JY01发出正弦脉宽调制（sinusoidal pulse width modulation，SPWM）信号，通过 IR2021 驱动上下桥臂场效应管控制空气压缩机的转速。

3 软件设计

影响变压吸附制氧的主要因素有吸附剂性能、吸附塔高径比、吸附压力、解吸压力、反吹压力等。本实验工艺流程的吸附塔尺寸及吸附剂的选型都已定型，通过单片机程序控制电磁阀的开闭来控制吸附时间、解吸时间、均压时间等操作参数进而控制吸附压力和解吸压力等实验参数，从而得到最佳的制氧参数。制氧机主控制流程如图6所示。

图5 无刷电动机驱动电路原理示意图

系统初始化完毕后进入待机状态，当检测到开机指令时，制氧系统的空气压缩机、电磁阀等开始运行，发光二极管（light emitting diode，LED）面板显示系统运行状态。单片机控制吸附塔A开启进气阀门，对吸附塔A进气加压，吸附氮气，分离出氧气；当吸附塔A的压力达到饱和吸附压力后，切换开启吸附塔B的电磁阀，吸附塔A解吸出氮气，开始循环进行加压吸附、降压解吸及均压的过程，实现连续不间断产氧。当检测到停止信号时，则停止制氧。

图6 制氧机主控制程序流程图

4 实验验证

完成控制系统的硬件和软件设计后，进行制氧系统的整机调试。制氧系统为双塔模式，通过修改控制程序的参数即可控制吸附塔A和吸附塔B的吸附时间和均压时间，进而控制吸附塔的吸附压力和解吸压力。通过改变吸附时间和均压时间的控制参数，测得不同产氧流量下（0.8～1.8 L/min）的氧气体积分数，具体实验结果如图7、8所示。由变压吸附制氧原理可知，产氧流量越低，则吸附塔内压力越高，因此氧气体积分数越高。实验测得，当产氧流量为1.0 L/min时，氧气体积分数最高可达91.49%，符合设计要求。本研究设计的控制系统简单方便，经过长时间测试，制氧系统运行稳定可靠，在保证产氧体积分数的前提下，实现了便携式变压吸附制氧机的连续不间断运行。

5 结语

图7 吸附时间对氧气体积分数的影响

图8 均压时间对氧气体积分数的影响

本文基于变压吸附制氧原理，设计以C8051F310单片机为控制核心的便携式变压吸附制氧机控制系统，并设计了外围控制电路和控制程序，整个控制系统具有简单方便、稳定可靠、人机界面交互良好等优点。在控制系统基础上研制的制氧样机体积小、质量轻，当产氧流量为1.0 L/min时，氧气体积分数最高可达91.49%，达到设计标准。下一步，拟研究制氧系统的智能控制，通过控制压缩机转速、均压时间及吸附时间等参数，实现制氧机的产氧流量及体积分数随海拔高度的自动调节并保持相对稳定。