小型寵物犬罐療控制系統的研討范文

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摘要：本文設計并實現了一套適用于小型寵物犬的罐療控制系統。系統以單片機ATMEGA128為核心，利用其產生的PWM方波作為控制信號，經光電隔離和功率放大后，驅動小型真空泵，控制其轉速；同時，利用單片機ATMEGA128內部的定時器控制電磁閥進行氣路切換，以達到定時抽氣、保持的目的。實驗結果表明，PWM方波的占空比在48%-96%之間可調，真空泵的流量在1.2L/min-2.5L/min之間可調，真空罐的負壓在-0.001Mpa-0.0075Mpa之間可調。整體設計方案原理簡單，實用性強，成本較低，為研制商品化的寵物罐療儀奠定了基礎。

關鍵詞：小型寵物犬；罐療控制系統；單片機ATMEGA128；真空泵控制

一、引言

隨著時代的進步，在獸醫臨床上，中醫療法越來越得到國際主流醫學的重視[1]。其中，拔罐療法作為一種主要治療手段，也得到了一定的發展，其在促進血液循環、調節神經功能等方面應用較為廣泛[2]。但是，由于這些療法對治療的位置、手法和力度都有一定的技巧要求，不易操作。所以，運用現代化的電子、計算機手段研制一臺自動罐療的設備十分必要，以解決臨床應用存在的問題。本課題設計并實現了一套適用于小型寵物犬的罐療控制系統。系統以單片機ATMEGA128為核心，控制小型真空泵，并采用電磁閥進行氣路切換。整體設計方案原理簡單，功耗較低，實用性強，為研制商品化的寵物罐療儀奠定了基礎。

二、系統結構

（一）硬件結構整體罐療控制系統的框圖如圖1所示，其主要包括ATMEGA128主控電路、驅動電路、真空泵、電磁閥、數碼管顯示電路和按鍵電路。該系統的工作原理如下：首先，ATMEGA128主控電路產生控制信號脈沖寬度調節（pulsewidthmodulation，PWM）方波；此信號經驅動電路后，進行光電隔離和功率放大，作用至真空泵，使其持續抽氣；同時，ATMEGA128主控電路調用內部的定時器進行計時，改變I/O接口的高低電平輸出狀態，經驅動電路后，控制電磁閥切換真空罐內部的氣路通斷狀態，以達到真空罐內進行定時抽氣/保持的目的。真空泵抽氣的力度和時間可由按鍵輸入進行改變，并由數碼管動態顯示。

（三）電源電路本系統采用直流12V電源供電。由于電磁閥和真空泵的工作電壓為12V，而單片機的工作電壓為5V，因此系統采用電壓轉化芯片LM7805將12V電壓轉換為5V電壓，為單片機供電[3]。

（三）ATMEGA128主控電路本課題以8位單片機ATMEGA128為核心構建主控電路。此芯片內部采用RISC結構，其最高主頻可達16MHz；內部有2個8位定時器和2個16位定時器，最多可輸出7路PWM方波。片內還有1個10位、8通道的模數轉換模塊（AnalogtoDigitalConverter，ADC）和多達35個外部中斷，另外還有多種數據傳輸接口，如I2C（Inter-IntegratedCircuit，I2C）總線，串行外圍設備接口（SerialPeripheralInterface，SPI）等，方便數據的實時傳輸[4]。

（四）按鍵輸入及數碼管輸出顯示電路本系統由輸入按鍵電路由8個獨立按鍵構成，其主要作用在于調節罐療力度、切換頻率、罐療時間等參數；采用1個4位7段數碼管和1個強度顯示數碼管對罐療時間和力度檔位進行顯示[5]。

（五）驅動電路本系統采用單片機ATMEGA128輸出兩組控制信號，其中一組為頻率為1.95Khz、占空比可調的PWM方波，其主要作用是控制真空泵的轉速；另外一組為I/O接口輸出的高、低電平，其主要作用是控制電磁閥的通斷狀態。這兩組控制信號的幅值僅為5V，而真空泵和電磁閥的額定電壓為12V，因此本課題采用MOS管IRF3205設計了驅動電路，對其進行功率放大[6]。為了防止后級功率放大電路中的大電流反灌燒毀單片機，還采用高速光電耦合芯片6N137和低速光電耦合芯片P781設計了光電隔離電路對控制信號進行電隔離[7]。隔離后的信號經過功率放大電路之后，驅動真空泵和電磁閥。（六）真空泵的控制本系統采用12V真空泵對系統的真空罐進行抽氣。主要通過按鍵輸入電路對控制信號PWM方波的占空比進行調控。當PWM方波的占空比增大時，經驅動電路作用至真空泵，導致真空泵轉速加快，抽氣速率增加，使得真空罐內的負壓值增大，進而令罐療力度增大；反之亦然[8]。這樣就可對真空泵的轉速進行控制，達到調節罐療力度的目的。

（七）電磁閥的控制本系統采用二位三通電磁閥進行氣路控制。在氣路連接的過程中，將端子1懸空，利用氣路管將端子2與真空泵連接，端子3與真空罐連接。當單片機I/O信號輸出高電平時，經驅動電路后作用至電磁閥上，使得電磁閥內端子2與端子3之間的氣路連通，真空泵對真空罐內抽氣，使罐內形成負壓狀態；相反，當單片機I/O信號輸出低電平時，端子2與端子3之間的氣路斷開，此時真空罐內保持原有的負壓[9]。這樣一來，通過控制程序持續改變單片機I/O信號輸出的高、低電平，即可持續切換真空罐內抽氣/保持的狀態，以達到自動罐療的目的。此外，通過按鍵電路改變高、低電平的切換頻率，即可改變罐療抽氣/保持狀態切換的頻率，從而達到改變罐療速度的目的[10]。

三、軟件的開發

軟件部分采用Windows7操作系統和ICCAVR作為下位機軟件的開發環境，采用C語言和匯編語言進行編程。其具體流程如下：程序開始后，經定義變量、端口初始化、時鐘模塊初始化之后，由按鍵電路進行罐療力度、切換頻率、罐療時間等參數的輸入設置；單片機調用內部的定時器，開始倒計時功能，并產生控制信號PWM方波和I/O高低電平，控制真空泵的轉速和電磁閥的通斷狀態；最后進行時間和力度檔位的顯示。

四、實驗結果

1.PWM方波輸出的占空比測試。在實驗中，采用國產RIGOL牌DS1104Z型示波器對控制信號PWM方波進行波形觀測。實驗結果表明，系統能夠產生上述的控制信號。其中，PWM波的頻率為1.95kHz，幅值為5V，如圖6所示。2.流量及負壓測試。系統共設計了5個罐療力度檔位，所對應的PWM占空比為48%至96%之間。在室溫的情況下，采用LZB玻璃轉子流量計和真空負壓表在不同的占空比情況下對系統的流量和負壓進行了測量，得結果如表1所示。實驗結果表明，隨著PWM方波占空比的增大，流量和負壓也會增大五、結論本課題設計并實現了一套適用于小型寵物犬的罐療控制系統。整體系統以單片機ATMEGA128為核心，利用其產生的PWM方波作為控制信號，經光電隔離和功率放大后，驅動小型真空泵；同時，利用單片機ATMEGA128內部的定時器，改變I/O端口的輸出電平變化，進而控制電磁閥，切換真空罐內部的氣路通斷狀態，以達到真空罐內進行定時抽氣/保持的目的。實驗結果表明，系統可實現自動罐療功能，并且PWM方波的占空比從48%至96%可調，真空泵流量從1.2L/min至2.5L/min可調，真空罐負壓從-0.001Mpa至-0.0075Mpa可調。整體設計方案原理簡單，實用性強，成本較低，為研制商品化的小型寵物犬罐療儀奠定了基礎。

參考文獻：

[1]孫悅,王洋.針灸療法在犬病臨床中的應用[J].中國工作犬業,2013,(5):17-18.

[2]劉永強.中獸醫針灸在犬病治療上的應用[J].中國畜禽種業,2015,11(3):121-122.

[3]劉家燦,李云飛,韋安津,等.從7805的實測數據談談三端穩壓塊的輸出電壓計算公式的使用條件[J].電子世界,2014,(2):32.

[4]沈建良,趙文宏,賈玉坤,等.ATMEGA128單片機入門與提高[M].北京:北京航空航天大學出版社,2009:13-14.

[5]蔡國華,李慧,李洪文,等.基于ATmega128單片機的開溝深度自控系統試驗臺的設計[J].農業工程學報,2011,27(10):11-16.

[6]王玉梅.基于DSP的無刷直流電動機控制系統的研究[D].濟南:山東大學,2008.

[8]錢迪,羅雨輝,謝正坤,等.噴油式螺桿真空泵的控制系統設計[J].真空,2013,50(1).

[9]范紅剛,宋彥佑.AVR單片機自學筆記[M].北京:北京航空航天大學出版社,2012:37-39.

[10]柴博,劉嬌,李文華.高速電磁閥的動態特性[J].測控技術,2016,11(35):146-148.

作者：張新磊；徐曉潔 單位：北京農學院