周傳運(yùn)，李漢挺，孟凡文

（1.濟(jì)寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系，山東 濟(jì)寧 272037；2.濟(jì)寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，山東 濟(jì)寧 272037）

0 引 言

家用制氧機(jī)多通過變壓吸附式（PSA）的方式制取高濃度的氧氣［1］，其基本結(jié)構(gòu)包括氣路系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)。電氣控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是控制壓縮機(jī)和電磁閥，以及為實(shí)現(xiàn)操作的方便性而增設(shè)的LED或LCD指示電路。張萬林等［2］提出用光電耦合器驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器從而驅(qū)動(dòng)電磁閥的方案，用光電二極管指示燈顯示機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)。由于采用了固態(tài)繼電器，其設(shè)計(jì)較高。沈克宇等［3］在移動(dòng)式制氧機(jī)一文中提出壓縮機(jī)采用無刷直流電機(jī)、指示電路采用觸摸屏的方案，同時(shí)加裝氧濃度傳感器。這種設(shè)計(jì)在功耗、噪音、操作的方便性等方面上具有優(yōu)勢(shì)，較適合于高端機(jī)。當(dāng)前，采用一級(jí)提取的方式，使氧濃度達(dá)到95%及以上，現(xiàn)有的PSA技術(shù)很難達(dá)到［4］。馮念倫等［5］指出了PSA技術(shù)的3個(gè)發(fā)展方向:即提升分子篩性能、改進(jìn)吸附流程、優(yōu)化電控系統(tǒng)。在這些方面有所突破的話，有可能使出氧濃度進(jìn)一步提升。

本研究在綜合考慮各種文獻(xiàn)提出的方案基礎(chǔ)上，并經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研提出用達(dá)林頓管直接驅(qū)動(dòng)電磁閥、壓縮機(jī)采用繼電器控制和用LCD作為顯示界面的設(shè)計(jì)方案。整個(gè)設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)功能可靠、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、成本較低的特點(diǎn)。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 電源系統(tǒng)

出于成本控制的需要，本研究采用一進(jìn)二出的變壓器，原邊電源為220 V，副邊分別為AC8.5 V、14 V，經(jīng)整流濾波穩(wěn)壓后為DC5 V、12 V。DC5 V電源供給上、下位單片機(jī)、六反相器、液晶顯示器使用，DC12 V電源提供給壓縮機(jī)繼電器、蜂鳴器和功率驅(qū)動(dòng)管ULN2003使用［6］。由于DC12 V電源直接推動(dòng)兩個(gè)電磁閥的動(dòng)作，負(fù)荷較重，穩(wěn)壓塊MC7812須選用額定輸出電流較大的規(guī)格，最好能達(dá)到1 A。

1.2 壓縮機(jī)和電磁閥控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)集成在下位機(jī)電路板上，下位機(jī)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 下位機(jī)系統(tǒng)

從控制的方便性考慮，本研究選用宏晶電子的STC12C2052作為控制芯片［7］。該芯片超小封裝，僅20個(gè)管腳，時(shí)鐘周期等于機(jī)器周期，而且功耗非常低，正常工作時(shí)為7 mA。家用制氧機(jī)的出氧量一般控制在5 L/min以內(nèi)，采用的無油壓縮機(jī)的輸入電功率多在300 W以下。從制氧機(jī)原理圖中可以看出，系統(tǒng)需要兩個(gè)電磁閥，每個(gè)電磁閥均采用制氧機(jī)專用的DC12 V/3 W規(guī)格。STC12C2052輸出信號(hào)進(jìn)入CD40106B六反相施密特觸發(fā)器，由觸發(fā)器對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行緩沖整形，調(diào)理后的信號(hào)直接輸入到功率驅(qū)動(dòng)元件ULN2003。該芯片每個(gè)管腳的灌流電流可達(dá)300 mA，可直接用來驅(qū)動(dòng)繼電器和電磁閥。繼電器采用DC12 V/8 A規(guī)格，圖2中，CON4接口在電路板覆銅時(shí)1、4相連，2、3相連，確保壓縮機(jī)可靠運(yùn)行。圖2中CON3接口的3、4端和5、6端分別接兩個(gè)電磁閥。基于運(yùn)行的可靠性，使ULN2003的兩個(gè)管腳并聯(lián)后驅(qū)動(dòng)一個(gè)電磁閥，其灌流電流達(dá)600 mA，大于電磁閥的工作電流。CON3接口的1、2端接排水電磁閥，用于每次制氧結(jié)束后排出管路中的凝結(jié)水。

1.3 顯示和操作系統(tǒng)

該系統(tǒng)集中在上位機(jī)電路板中，上位機(jī)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 上位機(jī)系統(tǒng)

上位機(jī)采用的芯片為89C52［8］，主要功能為處理手動(dòng)操作指令、驅(qū)動(dòng)LCD顯示。LCD使用接口為16位并口8080時(shí)序的12864規(guī)格顯示屏，用于顯示生產(chǎn)商、開關(guān)機(jī)等信息。CON2的1～8為數(shù)據(jù)接口，9腳為電源，10腳接地，11腳背光顯示調(diào)節(jié)，12～16為功能引腳。手動(dòng)操作指令通過復(fù)合功能按鍵S1、S2、S3來實(shí)現(xiàn)。S1為強(qiáng)制中斷按鍵，按下S1后，通過S2、S3配合調(diào)節(jié)下位機(jī)電磁閥通斷電時(shí)間，從而調(diào)節(jié)吸附塔內(nèi)的壓力，間接調(diào)節(jié)出氧濃度；再次按下S1，即退出壓力調(diào)節(jié)模式進(jìn)入正常工作模式。在正常工作模式下，S2為開關(guān)機(jī)按鍵、S3為工作時(shí)間設(shè)定按鍵。

1.4 上下位機(jī)通訊系統(tǒng)

上、下位機(jī)采用串行通訊，圖3顯示，CON1為通訊接口，同時(shí)上位機(jī)需用的DC5 V電源通過此接口采集，因?yàn)镈C12 V、DC5 V兩個(gè)電源均集成在下位機(jī)電路板中。下位機(jī)通過通訊接口采集上位機(jī)的開關(guān)機(jī)、電磁閥設(shè)定工作周期等指令信息，從而驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)和電磁閥的工作。

2 程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮兩電磁閥的工作周期和交錯(cuò)時(shí)間。由于壓縮機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，一定要確保壓縮空氣順暢地進(jìn)入到吸附塔。若氣路堵塞，將會(huì)使排氣壓力迅速升高，造成管路爆破事故。

A、B電磁閥的時(shí)序圖如圖4所示。

圖4 電磁閥時(shí)序

高電平表示電磁閥打開，壓縮機(jī)排氣管路通暢；低電平時(shí)電磁閥關(guān)閉，氣路阻塞。從圖4中可以看出，A閥關(guān)閉時(shí)，B閥已提前1.25 s打開；A閥打開時(shí)，B閥滯后1.25 s關(guān)閉，即每個(gè)閥都呈現(xiàn)出“提前打開、延遲關(guān)閉”的特點(diǎn)。該圖顯示每個(gè)閥的工作周期都是12.5 s。試驗(yàn)結(jié)果表明，改變閥的工作周期即可改變出氧濃度，增大周期，出氧濃度增大，減小周期，氧氣濃度減少。合理控制電磁閥的工作周期，其出氧濃度可達(dá)90%以上，可達(dá)到醫(yī)用要求。規(guī)格不同的制氧機(jī)，其出氧濃度曲線也不同，需要通過多次試驗(yàn)才能找出最佳的電磁閥通電周期?；谝陨鲜聦?shí)，在程序運(yùn)行通過后，需反復(fù)調(diào)試電磁閥的工作周期。

整個(gè)系統(tǒng)的程序框圖如圖5所示［9-10］。圖5中提及的設(shè)置鍵即圖3中S1、開關(guān)鍵為S2、定時(shí)鍵為S3。

圖5 程序框圖

3 試驗(yàn)結(jié)果

該產(chǎn)品完成后，筆者在本地企業(yè)生產(chǎn)的5 L/min制氧機(jī)上進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試按照醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY／T0298-1998《醫(yī)用分子篩制氧設(shè)備通用技術(shù)規(guī)范》所規(guī)定的項(xiàng)目逐項(xiàng)進(jìn)行［11］。

3.1 環(huán)境測(cè)試

（1）低溫貯存試驗(yàn)，斷電后將樣機(jī)放入-40℃的低溫箱中4 h后取出，在室溫環(huán)境中恢復(fù)4 h，再進(jìn)行測(cè)試。

（2）高溫貯存試驗(yàn)，斷電后將樣機(jī)放入55℃的老化車間4 h，在室溫環(huán)境中恢復(fù)4 h，再進(jìn)行通電試機(jī)。

（3）額定高溫運(yùn)行測(cè)試，在40℃的環(huán)境中，通電試機(jī)1 h。

機(jī)器在上述各類環(huán)境下測(cè)試均能正常工作。

3.2 氧濃度測(cè)試

前文已敘述，出氧濃度可改變電磁閥的交替工作時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。測(cè)試時(shí)本研究首先驗(yàn)證出氧濃度的可調(diào)性，然后再依據(jù)技術(shù)規(guī)范設(shè)定氧濃度≥90%時(shí)設(shè)定電磁閥的轉(zhuǎn)換時(shí)間。測(cè)試方法為:在室溫環(huán)境下開機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后即用氧濃度測(cè)試儀在出氧口進(jìn)行測(cè)試。兩者的關(guān)系如圖6所示，從圖6中可以看到在交替時(shí)間為7.5 s時(shí)出氧濃度即達(dá)到90%，再增大交替時(shí)間，其氧濃度變化很小，但整機(jī)功耗卻增加很多。一般把電磁閥的交替間隔設(shè)置為7 s～8 s較好。

圖6 電磁閥交替時(shí)間與出氧濃度關(guān)系

3.3 其他測(cè)試

本研究對(duì)通用技術(shù)規(guī)范要求的其他一系列指標(biāo)分別進(jìn)行了測(cè)試，均能達(dá)到預(yù)期效果。如:待機(jī)功耗≤2 W，整機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)12 h性能穩(wěn)定，短時(shí)間內(nèi)多次開關(guān)機(jī)均能正常運(yùn)行等。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究從軟、硬件兩個(gè)方面介紹了家用制氧機(jī)的電氣控制設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以89C52和STC12C2052分別作為上下位機(jī)控制芯片，LCD作為人機(jī)對(duì)話的顯示界面，采用C語(yǔ)言編程。整個(gè)系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、運(yùn)行可靠、成本較低的特點(diǎn)，能夠滿足企業(yè)的技術(shù)要求。該設(shè)計(jì)沒有設(shè)置壓力報(bào)警功能，生產(chǎn)企業(yè)在采用該方案時(shí)需要在壓縮機(jī)排氣口設(shè)置一機(jī)械式泄壓閥，以進(jìn)一步提高使用的安全性。

隨著生活水平的提高，人們的保健意識(shí)逐漸增強(qiáng)，制氧機(jī)正逐步走向?qū)こ０傩占遥⒊蔀榧译婋娖?，具有較大的市場(chǎng)空間。家用制氧機(jī)在產(chǎn)品外觀、操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定、濃度可調(diào)等方面還有進(jìn)一步提升的空間，這都是專業(yè)技術(shù)人員需要努力的方向。

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