基于嵌入式Web的医用变压吸附制氧装置控制系统设计.pdf
《基于嵌入式Web的医用变压吸附制氧装置控制系统设计.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于嵌入式Web的医用变压吸附制氧装置控制系统设计.pdf(4页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、2023年/第9期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application610 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
2、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
3、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。
4、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。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
5、 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。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 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)摘 要:为给变压吸附医用制氧装置控制提供技术支持,设计了一套操作简单、稳定的控制系统。控制系统采用 STM32F103ZET6 单片
6、机为控制核心,并设计电源电路、以太网控制电路、负载驱动电路、电机控制电路等外围控制电路。结合变压吸附制氧原理编写控制程序,将单片机作为嵌入式 Web 服务器,浏览器作为客户端,并进行上位机设计开发。本文设计实现了变压吸附制氧装置控制系统的远程监测及控制等功能,且运行稳定。关键词:变压吸附制氧;嵌入式 Web;STM32;以太网;远程监控系统;智慧医疗中图分类号:TP23 文献标识码:A 文章编号:2095-1302(2023)09-0061-04DOI:10.16667/j.issn.2095-1302.2023.09.016收稿日期:2022-10-23 修回日期:2022-11-21物联网
7、技术 2023年/第9期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application6224 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。图 1 变压吸附医用制氧装置工艺流程图 2 硬件系统框图图 3 供电电路设计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
8、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 DM90008以太网控制芯片以及RJ 45 网络
9、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
10、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。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。2023年/第9期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application63图 4 A/D 转换电路2.6 PCB 电路板设计为了提高布线效率、降低信号干扰以
11、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
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 嵌入式 Web 医用 变压 吸附 装置 控制系统 设计
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。