基于嵌入式Web 的医用变压吸附制氧装置控制系统设计

魏士杰，高龙琴，王志伟

（扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225127）

0 引 言

地球上氧气占空气的20%，是地球上不可或缺的生命之源，是维持人类生命活动的必需物质之一，同时氧气在医疗、军事、工业等领域也有着极为重要的作用[1-3]。随着国内制造业、航空航天领域尤其是医疗产业的不断发展，氧气的需求量不断提高。疫情形势下，充足的氧气供应可以为中症或重症患者提供很好的辅助治疗手段。因此，医用制氧装置远程控制系统有着很好的发展前景。本样机所采用的变压吸附制氧法利用了分子筛在高压下对氮气等气体的吸附性能，以及低压下解吸附这些气体的特性，达到对氧气和空气中氮气等其他气体分离的作用。该装置具有结构简单、自动化程度高、操作方便灵活、投资少、能耗低等优点。本研究结合变压吸附制氧装置的工艺流程，开发设计了一套以STM32 单片机为主控制器，基于嵌入式Web 的高自动化、智能化的医用制氧装置远程控制系统，为医用变压吸附制氧装置进一步发展提供了技术支持。

1 变压吸附制氧工艺流程

结合变压吸附制氧的工作原理[4]，研究开发变压吸附医用制氧装置的控制系统，首先需要确定变压吸附制氧的工艺流程。本样机采用了两塔式变压吸附制氧法，相对于常见的三塔式制氧法，具有成本低、控制方便、体积小等优点[5]。具体工艺流程如图1 所示。进气电机打开，空气被吸入制氧装置内部，再经由鼓风机吹入筛塔中，分子筛在高压条件下会吸附氮气等气体，仅氧气可以通过。过滤后的氧气到缓冲罐中，再经过止回阀进入增压机增压，经过氧气浓度传感器，如达标，则将合格的氧气吹入氧气罐中，否则将不合格的氧气经由三通电磁阀排放到装置外部。当分子筛的吸附效果达到饱和，则将鼓风机反转，将筛塔吸至负压，分子筛吸附的气体被释放，由缓冲罐中多余的氧气回流冲洗，将筛塔内部的氮气等其他气体重新排放到大气中，此为一个制氧周期。

2 硬件设计

变压吸附医用制氧装置的控制系统以STM32F103ZET6单片机为主控芯片[6]。该芯片集成了中断、定时器、串口、I2C、SPI、AD/DA 等功能，执行指令高速且稳定，软件开发系统成熟[7]。控制系统所涉及的外围电路包括供电电路、以太网控制电路、电机驱动电路、显示电路、LED 显示电路、电磁阀驱动电路、A/D 转换电路、输出及接口电路等。其硬件系统框图如图2 所示。

图2 硬件系统框图

2.1 供电电路设计

变压吸附医用制氧装置各部分所需供电有所不同，其中进气电机采用的是外部电源供电；电磁阀采用24 V 供电；本样机采用变频器改变频率的方式来控制鼓风机电机以及增压机电机，变频器采用的是24 V 供电；氧气浓度传感器、压力传感器、流量传感器采用的是5 V 供电；主控芯片等采用的是3.3 V 供电，因此需要电源转换电路来给整个控制系统提供稳定且合适的供电。本文采用LM2672 降压芯片将外部24 V 电压分别降为12 V、5 V、3.3 V 供各部分使用。供电电路如图3 所示。

图3 供电电路设计

2.2 驱动电路设计

2.2.1 电磁阀驱动电路设计

变压吸附医用制氧装置的筛塔、缓冲罐、输送管道的安全及控制稳定性主要依靠电磁阀来控制，当筛塔与缓冲罐的压力传感器所测得的压力值过高时，需要控制电磁阀打开阀门，适当排气以降低罐内的压力。电磁阀的工作电压为24 V，而单片机的工作电压是3.3 V，不足以驱动电磁阀。因此当主控芯片接收到压力传感器值，会与设定的压力阈值进行对比判断。若压力阈值低于当前压力传感器的数值，则主控芯片的输出引脚输出较低的信号，经过缓冲器后再经过MOSFET 管放大，电磁阀接收到放大后的开关信号，进行开启动作，反之则关闭电磁阀。

2.2.2 电机驱动电路设计

制氧流程首先由进气电机将空气吸入装置内部，然后由鼓风机将空气吹入筛塔，滤出氧气，最后由增压机给过滤后的高浓度氧气增压，进而成为产品氧气，输送到氧气瓶中。其中进气电机无须控制转速以及正反转；而鼓风机与增压机需要根据压力传感器、流量传感器以及氧气浓度传感器的数值实时控制电机的转速。其中鼓风机可以通过控制其正反转实现筛塔中制备氧气以及回流冲洗的功能。

2.2.3 显示装置及LED 电路设计

变压吸附制氧装置采用TFTLCD 作为控制系统的显示装置，主要用来显示传感器所得到的数据以及电机状态、装置内部环境状态等参数。同时采用发光二极管作为控制系统的指示灯，用来提示系统的工作状态。

2.3 以太网控制电路设计

变压吸附制氧装置通过DM9000[8]以太网控制芯片以及RJ 45 网络接口，与上位机之间用网线连接。上位机接收控制系统测得的传感器、电机状态等数据，并实时在上位机页面及LCD 屏上面显示，同时上位机可以远程修改控制系统的传感器阈值和电机状态。

2.4 输出及接口电路设计

变压吸附医用制氧装置的输出、输入信号以及接口电路，主要用来外接实验过程中所需要用到的设备，其中接口电路用来连接装置外部输入的热电阻、电机状态以及传感器信号、输出的电磁阀和电机信号。

2.5 A/D 转换电路设计

变压吸附医用制氧装置采用的STM32F103ZET6 主控芯片内部自带12 位AD 转换器。为了提高传感器测量的精度，本样机选用外部16 位AD 转换器LTC2439 来代替内部AD转换器。氧气传感器、压力传感器、流量传感器等A/D 转换电路如图4 所示。

图4 A/D 转换电路

热电阻在变压吸附医用制氧装置中起到温度监测的作用，利用阻值随着温度变化而变化这一特性来测量环境的温度，具有测量精度高、滞后小等优点。其中热电阻控制电路采用三线式连接的方法连接外部的热电阻，可以减少导线对热电阻信号的影响。热电阻信号经过外部AD 转换器LTC2439 后，将传感器信号发送到主控芯片进行数据处理。

2.6 PCB 电路板设计

为了提高布线效率、降低信号干扰以及提高控制器的稳定性。本样机采用四层板作为控制系统的PCB 布局方式，四层板的设计形式适用于元器件装配密度较高、线路布局较为复杂的场合，可以大幅度降低布线的难度；同时因体积较小，电子元件之间的走线距离缩短，加快了信号传输的速度。相对于二层板，加入了地线层，传感器、以太网通信等信号线与地线层之间形成了稳定的低阻抗，具有较好的屏蔽效果。具体PCB 布线如图5 所示。PCB 三维图如图6所示。

图5 PCB 布线图

图6 PCB 三维图

3 下位机软件设计

本样机需要实现上位机对下位机传感器数据的远程监制功能。样机将STM32 单片机作为嵌入式Web 服务器，PC 机浏览器作为客户端。在客户端浏览器上向嵌入式服务器发送POST 请求，请求格式为“/URL/SendData=SendValue”。此时下位机端接收到上位机发送来的请求报文，首先判读上位机POST 请求报文中的URL 是否正确；其次判断请求报文“SendData=SendValue”中是否有需要改变的SendData，如果有，那么在下位机端获取上位机端发送过来的数据并存储到单片机的存储器中。根据所得到的数据来控制机器进行调整阈值、启停电机、开关电磁阀等操作，同时返回XML 文件给上位机，上位机接收到返回的XML 文件后，进行解析，在上位机页面加载XML 文件内的数据，如果没有，则返回null，并结束这一次请求。常规的上位机向下位机发送POST请求时会导致上位机网页进行一次刷新，会在一段很明显的时间里导致网页的空窗期，因此本样机采用了AJAX 异步刷新技术[9]，可以实现网页在发送POST 请求的情况下不刷新页面，并实时加载下位机返回的数据，提高用户体验。上位机中AJAX 异步刷新技术封装函数为：

具体AJAX 请求流程如图7 所示。

图7 AJAX 请求流程

4 上位机软件设计

上位机软件采用HTML、CSS、JS、XML 等语言编写设计。HTML、CSS 及JS 作为前端语言，具有所写即所得的优点，在开发过程中可以实时调试所设计的页面，极大提高了开发效率。XML 是独立于软件和硬件的信息传输工具，是一种可扩展标记语言，常被用来在嵌入式系统与上位机之间传输数据，开发人员可以任意命名具有实际含义的标签名。当XML 文件由下位机返回到上位机时，上位机可以通过获取XML 的标签名内部的参数，接收单片机发送来的传感器数值、电机状态、电磁阀状态等参数。本样机采用浏览器作为上位机软件的开发平台[10]，将所开发的网页烧录到单片机的存储器中，并通过网线将上位机与单片机链接，即可在浏览器客户端输入嵌入式Web 服务器分配的IP 地址，访问处于单片机存储器中的网页文件，并在浏览器显示出来。本研究所制作的上位机包括登录注册、远程监测、远程控制、本地文件存储等功能，能实现对制氧装置工作状况的实时监测与控制。具体上位机页面如图8 所示。

图8 上位机主页面

5 结 语

本文基于变压吸附制氧原理设计了以STM32 单片机为控制核心的变压吸附制氧装置控制系统，并设计了外围控制电路以及PCB 电路板。编写下位机控制程序以及上位机控制软件，应用AJAX 异步刷新技术，将浏览器客户端与嵌入式Web 服务器连接起来，实现了医用变压吸附制氧装置与上位机之间的数据传输和远程控制的功能。整个控制系统具有稳定性高、操作简单、人机交互体验良好等优点。本文研究为医用变压吸附制氧装置的进一步开发研究提供了参考。