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小型宠物犬罐疗控制系统的研讨

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摘要:本文设计并实现了一套适用于小型宠物犬的罐疗控制系统。系统以单片机ATMEGA128为核心,利用其产生的PWM方波作为控制信号,经光电隔离和功率放大后,驱动小型真空泵,控制其转速;同时,利用单片机ATMEGA128内部的定时器控制电磁阀进行气路切换,以达到定时抽气、保持的目的。实验结果表明,PWM方波的占空比在48%-96%之间可调,真空泵的流量在1.2L/min-2.5L/min之间可调,真空罐的负压在-0.001Mpa-0.0075Mpa之间可调。整体设计方案原理简单,实用性强,成本较低,为研制商品化的宠物罐疗仪奠定了基础。

关键词:小型宠物犬;罐疗控制系统;单片机ATMEGA128;真空泵控制

一、引言

随着时代的进步,在兽医临床上,中医疗法越来越得到国际主流医学的重视[1]。其中,拔罐疗法作为一种主要治疗手段,也得到了一定的发展,其在促进血液循环、调节神经功能等方面应用较为广泛[2]。但是,由于这些疗法对治疗的位置、手法和力度都有一定的技巧要求,不易操作。所以,运用现代化的电子、计算机手段研制一台自动罐疗的设备十分必要,以解决临床应用存在的问题。本课题设计并实现了一套适用于小型宠物犬的罐疗控制系统。系统以单片机ATMEGA128为核心,控制小型真空泵,并采用电磁阀进行气路切换。整体设计方案原理简单,功耗较低,实用性强,为研制商品化的宠物罐疗仪奠定了基础。

二、系统结构

(一)硬件结构整体罐疗控制系统的框图如图1所示,其主要包括ATMEGA128主控电路、驱动电路、真空泵、电磁阀、数码管显示电路和按键电路。该系统的工作原理如下:首先,ATMEGA128主控电路产生控制信号脉冲宽度调节(pulsewidthmodulation,PWM)方波;此信号经驱动电路后,进行光电隔离和功率放大,作用至真空泵,使其持续抽气;同时,ATMEGA128主控电路调用内部的定时器进行计时,改变I/O接口的高低电平输出状态,经驱动电路后,控制电磁阀切换真空罐内部的气路通断状态,以达到真空罐内进行定时抽气/保持的目的。真空泵抽气的力度和时间可由按键输入进行改变,并由数码管动态显示。

(三)电源电路本系统采用直流12V电源供电。由于电磁阀和真空泵的工作电压为12V,而单片机的工作电压为5V,因此系统采用电压转化芯片LM7805将12V电压转换为5V电压,为单片机供电[3]。

(三)ATMEGA128主控电路本课题以8位单片机ATMEGA128为核心构建主控电路。此芯片内部采用RISC结构,其最高主频可达16MHz;内部有2个8位定时器和2个16位定时器,最多可输出7路PWM方波。片内还有1个10位、8通道的模数转换模块(AnalogtoDigitalConverter,ADC)和多达35个外部中断,另外还有多种数据传输接口,如I2C(Inter-IntegratedCircuit,I2C)总线,串行外围设备接口(SerialPeripheralInterface,SPI)等,方便数据的实时传输[4]。

(四)按键输入及数码管输出显示电路本系统由输入按键电路由8个独立按键构成,其主要作用在于调节罐疗力度、切换频率、罐疗时间等参数;采用1个4位7段数码管和1个强度显示数码管对罐疗时间和力度档位进行显示[5]。

(五)驱动电路本系统采用单片机ATMEGA128输出两组控制信号,其中一组为频率为1.95Khz、占空比可调的PWM方波,其主要作用是控制真空泵的转速;另外一组为I/O接口输出的高、低电平,其主要作用是控制电磁阀的通断状态。这两组控制信号的幅值仅为5V,而真空泵和电磁阀的额定电压为12V,因此本课题采用MOS管IRF3205设计了驱动电路,对其进行功率放大[6]。为了防止后级功率放大电路中的大电流反灌烧毁单片机,还采用高速光电耦合芯片6N137和低速光电耦合芯片P781设计了光电隔离电路对控制信号进行电隔离[7]。隔离后的信号经过功率放大电路之后,驱动真空泵和电磁阀。(六)真空泵的控制本系统采用12V真空泵对系统的真空罐进行抽气。主要通过按键输入电路对控制信号PWM方波的占空比进行调控。当PWM方波的占空比增大时,经驱动电路作用至真空泵,导致真空泵转速加快,抽气速率增加,使得真空罐内的负压值增大,进而令罐疗力度增大;反之亦然[8]。这样就可对真空泵的转速进行控制,达到调节罐疗力度的目的。

(七)电磁阀的控制本系统采用二位三通电磁阀进行气路控制。在气路连接的过程中,将端子1悬空,利用气路管将端子2与真空泵连接,端子3与真空罐连接。当单片机I/O信号输出高电平时,经驱动电路后作用至电磁阀上,使得电磁阀内端子2与端子3之间的气路连通,真空泵对真空罐内抽气,使罐内形成负压状态;相反,当单片机I/O信号输出低电平时,端子2与端子3之间的气路断开,此时真空罐内保持原有的负压[9]。这样一来,通过控制程序持续改变单片机I/O信号输出的高、低电平,即可持续切换真空罐内抽气/保持的状态,以达到自动罐疗的目的。此外,通过按键电路改变高、低电平的切换频率,即可改变罐疗抽气/保持状态切换的频率,从而达到改变罐疗速度的目的[10]。

三、软件的开发

软件部分采用Windows7操作系统和ICCAVR作为下位机软件的开发环境,采用C语言和汇编语言进行编程。其具体流程如下:程序开始后,经定义变量、端口初始化、时钟模块初始化之后,由按键电路进行罐疗力度、切换频率、罐疗时间等参数的输入设置;单片机调用内部的定时器,开始倒计时功能,并产生控制信号PWM方波和I/O高低电平,控制真空泵的转速和电磁阀的通断状态;最后进行时间和力度档位的显示。

四、实验结果

1.PWM方波输出的占空比测试。在实验中,采用国产RIGOL牌DS1104Z型示波器对控制信号PWM方波进行波形观测。实验结果表明,系统能够产生上述的控制信号。其中,PWM波的频率为1.95kHz,幅值为5V,如图6所示。2.流量及负压测试。系统共设计了5个罐疗力度档位,所对应的PWM占空比为48%至96%之间。在室温的情况下,采用LZB玻璃转子流量计和真空负压表在不同的占空比情况下对系统的流量和负压进行了测量,得结果如表1所示。实验结果表明,随着PWM方波占空比的增大,流量和负压也会增大五、结论本课题设计并实现了一套适用于小型宠物犬的罐疗控制系统。整体系统以单片机ATMEGA128为核心,利用其产生的PWM方波作为控制信号,经光电隔离和功率放大后,驱动小型真空泵;同时,利用单片机ATMEGA128内部的定时器,改变I/O端口的输出电平变化,进而控制电磁阀,切换真空罐内部的气路通断状态,以达到真空罐内进行定时抽气/保持的目的。实验结果表明,系统可实现自动罐疗功能,并且PWM方波的占空比从48%至96%可调,真空泵流量从1.2L/min至2.5L/min可调,真空罐负压从-0.001Mpa至-0.0075Mpa可调。整体设计方案原理简单,实用性强,成本较低,为研制商品化的小型宠物犬罐疗仪奠定了基础。

参考文献:

[1]孙悦,王洋.针灸疗法在犬病临床中的应用[J].中国工作犬业,2013,(5):17-18.

[2]刘永强.中兽医针灸在犬病治疗上的应用[J].中国畜禽种业,2015,11(3):121-122.

[3]刘家灿,李云飞,韦安津,等.从7805的实测数据谈谈三端稳压块的输出电压计算公式的使用条件[J].电子世界,2014,(2):32.

[4]沈建良,赵文宏,贾玉坤,等.ATMEGA128单片机入门与提高[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009:13-14.

[5]蔡国华,李慧,李洪文,等.基于ATmega128单片机的开沟深度自控系统试验台的设计[J].农业工程学报,2011,27(10):11-16.

[6]王玉梅.基于DSP的无刷直流电动机控制系统的研究[D].济南:山东大学,2008.

[8]钱迪,罗雨辉,谢正坤,等.喷油式螺杆真空泵的控制系统设计[J].真空,2013,50(1).

[9]范红刚,宋彦佑.AVR单片机自学笔记[M].北京:北京航空航天大学出版社,2012:37-39.

[10]柴博,刘娇,李文华.高速电磁阀的动态特性[J].测控技术,2016,11(35):146-148.

作者:张新磊;徐晓洁 单位:北京农学院

小型宠物犬罐疗控制系统的研讨责任编辑:张雨    阅读:人次