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摘要：本文設(shè)計并實現(xiàn)了一套適用于小型寵物犬的罐療控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以單片機ATMEGA128為核心，利用其產(chǎn)生的PWM方波作為控制信號，經(jīng)光電隔離和功率放大后，驅(qū)動小型真空泵，控制其轉(zhuǎn)速；同時，利用單片機ATMEGA128內(nèi)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(jié)果表明，PWM方波的占空比在48%-96%之間可調(diào)，真空泵的流量在1.2L/min-2.5L/min之間可調(diào)，真空罐的負壓在-0.001Mpa-0.0075Mpa之間可調(diào)。整體設(shè)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(chǔ)。

關(guān)鍵詞：小型寵物犬；罐療控制系統(tǒng)；單片機ATMEGA128；真空泵控制

一、引言

隨著時代的進步，在獸醫(yī)臨床上，中醫(yī)療法越來越得到國際主流醫(yī)學(xué)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(fā)展，其在促進血液循環(huán)、調(diào)節(jié)神經(jīng)功能等方面應(yīng)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(xiàn)代化的電子、計算機手段研制一臺自動罐療的設(shè)備十分必要，以解決臨床應(yīng)用存在的問題。本課題設(shè)計并實現(xiàn)了一套適用于小型寵物犬的罐療控制系統(tǒng)。系統(tǒng)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(shè)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(chǔ)。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（一）硬件結(jié)構(gòu)整體罐療控制系統(tǒng)的框圖如圖1所示，其主要包括ATMEGA128主控電路、驅(qū)動電路、真空泵、電磁閥、數(shù)碼管顯示電路和按鍵電路。該系統(tǒng)的工作原理如下：首先，ATMEGA128主控電路產(chǎn)生控制信號脈沖寬度調(diào)節(jié)（pulsewidthmodulation，PWM）方波；此信號經(jīng)驅(qū)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(xù)抽氣；同時，ATMEGA128主控電路調(diào)用內(nèi)部的定時器進行計時，改變I/O接口的高低電平輸出狀態(tài)，經(jīng)驅(qū)動電路后，控制電磁閥切換真空罐內(nèi)部的氣路通斷狀態(tài)，以達到真空罐內(nèi)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(shù)碼管動態(tài)顯示。

（三）電源電路本系統(tǒng)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(tǒng)采用電壓轉(zhuǎn)化芯片LM7805將12V電壓轉(zhuǎn)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(gòu)建主控電路。此芯片內(nèi)部采用RISC結(jié)構(gòu)，其最高主頻可達16MHz；內(nèi)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(nèi)還有1個10位、8通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（AnalogtoDigitalConverter，ADC）和多達35個外部中斷，另外還有多種數(shù)據(jù)傳輸接口，如I2C（Inter-IntegratedCircuit，I2C）總線，串行外圍設(shè)備接口（SerialPeripheralInterface，SPI）等，方便數(shù)據(jù)的實時傳輸[4]。

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

（五）驅(qū)動電路本系統(tǒng)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(diào)的PWM方波，其主要作用是控制真空泵的轉(zhuǎn)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(tài)。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(shè)計了驅(qū)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(shè)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(jīng)過功率放大電路之后，驅(qū)動真空泵和電磁閥。（六）真空泵的控制本系統(tǒng)采用12V真空泵對系統(tǒng)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(diào)控。當PWM方波的占空比增大時，經(jīng)驅(qū)動電路作用至真空泵，導(dǎo)致真空泵轉(zhuǎn)速加快，抽氣速率增加，使得真空罐內(nèi)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(zhuǎn)速進行控制，達到調(diào)節(jié)罐療力度的目的。

（七）電磁閥的控制本系統(tǒng)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(jīng)驅(qū)動電路后作用至電磁閥上，使得電磁閥內(nèi)端子2與端子3之間的氣路連通，真空泵對真空罐內(nèi)抽氣，使罐內(nèi)形成負壓狀態(tài)；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(nèi)保持原有的負壓[9]。這樣一來，通過控制程序持續(xù)改變單片機I/O信號輸出的高、低電平，即可持續(xù)切換真空罐內(nèi)抽氣/保持的狀態(tài)，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(tài)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(fā)

軟件部分采用Windows7操作系統(tǒng)和ICCAVR作為下位機軟件的開發(fā)環(huán)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(jīng)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(shù)的輸入設(shè)置；單片機調(diào)用內(nèi)部的定時器，開始倒計時功能，并產(chǎn)生控制信號PWM方波和I/O高低電平，控制真空泵的轉(zhuǎn)速和電磁閥的通斷狀態(tài)；最后進行時間和力度檔位的顯示。

四、實驗結(jié)果

1.PWM方波輸出的占空比測試。在實驗中，采用國產(chǎn)RIGOL牌DS1104Z型示波器對控制信號PWM方波進行波形觀測。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠產(chǎn)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(tǒng)共設(shè)計了5個罐療力度檔位，所對應(yīng)的PWM占空比為48%至96%之間。在室溫的情況下，采用LZB玻璃轉(zhuǎn)子流量計和真空負壓表在不同的占空比情況下對系統(tǒng)的流量和負壓進行了測量，得結(jié)果如表1所示。實驗結(jié)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(jié)論本課題設(shè)計并實現(xiàn)了一套適用于小型寵物犬的罐療控制系統(tǒng)。整體系統(tǒng)以單片機ATMEGA128為核心，利用其產(chǎn)生的PWM方波作為控制信號，經(jīng)光電隔離和功率放大后，驅(qū)動小型真空泵；同時，利用單片機ATMEGA128內(nèi)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(nèi)部的氣路通斷狀態(tài)，以達到真空罐內(nèi)進行定時抽氣/保持的目的。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)可實現(xiàn)自動罐療功能，并且PWM方波的占空比從48%至96%可調(diào)，真空泵流量從1.2L/min至2.5L/min可調(diào)，真空罐負壓從-0.001Mpa至-0.0075Mpa可調(diào)。整體設(shè)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(chǔ)。

參考文獻：

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

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

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

作者：張新磊；徐曉潔 單位：北京農(nóng)學(xué)院