CN113864172A - 一种气泵压力调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气泵压力调节方法，以微控制器为控制核心，通过对气泵供电电源的电压波形过零点检测得到微控制器单脉冲触发控制信号，通过调节单脉冲的占空比控制交流负压泵，实现对电极吸盘内压力调节；采集压力传感器获取气泵负压值，通过与微控制器内的设定的初设阈值进行比较，一旦压力传感器值与设定阈值不一致，采用增加或减小调节压力策略，实现对交流负压泵的准确控制。本发明能够解决气泵负压抽取的精确稳定控制难题，采用了气压压力传感器实现压力反馈检测；采用过零点检测避免了电源电压波动对交流气泵的影响，为单片机精确发出PWM提供触发电平信号。形成零点检测与气压传感器双检测控制方法。

Description

一种气泵压力调节方法

技术领域

本发明属于中频、低频等电刺激治疗仪调节电路技术领域，具体涉及一种气泵压力调节方法。

背景技术

在中频、低频等电刺激治疗仪使用过程中，需要用到吸盘或吸碗将电极片固定在人体肌肤上，因此需要用到气泵对吸盘或吸碗抽取负压，保证治疗过程中电极吸盘或吸碗不脱落。此外，吸盘或吸碗内的负压大小决定人体治疗过程中的舒适性，吸盘内负压力过大会造成皮肤出现水泡和毛细血管破裂，影响电刺激治疗仪的使用体验。吸盘内负压过小会使得吸盘或吸碗容易脱落，使医生在治疗过程中面临多次重复安装吸盘的问题，使得治疗过程不连续。现有的电刺激治疗使用的气泵压力控制存在气泵压力控制不精确、缺乏实时检测、功耗高等问题，导致了现有电刺激治疗仪在负压感受方面给治疗患者的体验不佳。现有的气泵控制电路普遍采用控制器通过光耦来控制可控硅，以PWM方式实现对气泵压力的定量开关控制，这种方式对电源电压的稳定性要求较高且控制精度不高。若电源电压波动对对气泵控制带来干扰，给电极吸盘或吸碗内的负压稳定控制带来影响。因此，需要设计具有高精度的气泵压力调节电路来满足电刺激治疗仪使用过程中对稳定负压精确控制的要求。

传统过零检测实现方式为微控制器接收到过零信号触发中断，中断中再发送控制脉冲到气泵，需要调节气压就需要调节脉冲宽度，调节脉宽就要一个延时时间，实现方式复杂，且交流频率为50HZ，转化为过零检测信号为100HZ=10ms，10ms的频繁中断会严重扰乱程序时序。为解决当现有方案的问题，采用定时器的输入捕获与单脉冲输出的方式，通过过零检测的方式解决了交流气泵的调节问题，全部由微控制器内部硬件触发方式控制，完全避免了采用传统中断控制带来的控制偏差，确保了气泵输出气压的稳定调节控制。

发明内容

针对传统气泵控制中以过零点检测触发中断方式存在延时带来的气泵控制不稳定的问题，本发明提供一种气泵压力调节方法，用以解决该问题。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种气泵压力调节方法，以微控制器为控制核心，通过对气泵供电电源的电压波形过零点检测得到微控制器单脉冲触发控制信号，通过调节单脉冲的占空比控制交流负压泵，实现对电极吸盘内压力调节；采集电极吸盘内压力传感器获取气泵负压值作为反馈，通过与微控制器内的设定的初设阈值进行比较，一旦压力传感器值与设定阈值不一致，采用增加或减小调节压力策略，调节单脉冲占空比，实现气泵抽吸力调节，使测量压力值与设定值相等，实现对单脉冲占空比的调节控制交流负压泵；压力传感器的值通过信号调理电路实现信号的放大，以满足微控制器AD引脚对电压波动范围的要求。

压力传感器与信号调理放大电路一起使用，采用运算放大器来构建信号调理放大电路，信号调理放大电路包括差分放大电路与三阶滤波电路，压力传感器的信号端连接差分放大电路的输入端，差分放大电路的输出端连接三阶滤波电路，三阶滤波电路的输出端连接所述微控制器的信号输入端，或通过运放或分压连接所述微控制器的信号输入端。

还包括气泵压力调节电路，该电路包括气泵负压检测电路和气泵电磁阀驱动电路，其中所述的气泵负压检测电路包括依次连接的负压传感器、运算放大电路、低通滤波电路和电压跟随器，电压跟随器输出端经过分压后输出与控制器信号输入端连接；所述的气泵电磁阀驱动电路包括达林顿管、可控硅组、气泵组和电磁阀组，控制器的多路输出信号输出端分别经过相应的限流电阻连接达林顿管的各信号输入端，达林顿管的多路信号输出端分别经过可控硅连接相应气泵和电磁阀的控制端。

还包括气泵电压过零点检测电路，该电路中包括与交流电连接的JP接插件、电容CX1、压敏电阻一、限流电阻RX和光耦UC1，JP接插件接交流电，连接于交流电两端的CX1电容用来消除差模干扰，连接于交流电两端的压敏电阻一用来消除尖峰高压，串联于光耦初级输入端的限流电阻RX用于降低单个电气元器件的功耗，减少发热量，被限流电阻RX分压后的交流电通过光耦0，它的初级为双向的二极管，经过双向二极管的正弦电压波形此刻处于定义的过零点附近时，如果电压低于光耦导通电压，光耦0次级不导通，输出为5V；当电压高与光耦导通电压时，光耦0次级导通，输出0V，当检测到电压正弦信号过零点时，光耦0出发一个控制信号给控制器触发发送PWM波形，以此保证每次过零点后单片机输出的PWM波形稳定，以达到控制气泵负压稳定的目的。

所述运算放大电路为三个运放U3A、U3B和U3C构成的三运放仪表运算放大电路，其中运放U3A与U3B的反向输入端之间串联电阻二，运放U3A的反向输入端与其输出端连接反馈电阻三，其中运放U3B的反向输入端与其输出端连接反馈电阻四，运放U3B的输出端通过电阻五连接运放U3C的反向输入端，运放U3A的输出端通过电阻六连接运放U3C的正向输入端，运放U3C的反向输入端经过反馈电阻七连接其输出端，负压传感器的负压变化时输出不同的差模信号，分别连接运放U3A和U3B的反向输入端。

所述的低通滤波电路为三阶低通滤波电路，第一阶电阻八经过电容一接地，电阻八与电阻九连接，第二阶电阻九经过电容二连接运放U3D的反向输入端，电阻九连接电阻十，第三阶R19经过电容三接地；运算放大电路（运放U3C）的输出端连接电阻八。

所述的电压跟随器经过运算放大器构成的U3D电压跟随器，提高系统带载能力并实现信号输出，运放U3D的反向输入端连接其输出端，运放U3D的输出端经过分压后连接控制器的信号输入端。

所述的气泵电磁阀驱动电路同时控制2路电磁阀和2路气泵，达林顿管的1引脚为左侧电磁阀控制、2引脚左侧气泵控制、3引脚右侧电磁阀控制、4引脚右侧气泵控制。

所述的气泵电磁阀驱动电路使可控硅闭合导通，可控硅次级接交流电的零线和火线，这时气泵和电磁阀就会工作。

本发明的有益效果：本发明能够解决气泵负压抽取的精确稳定控制难题，采用了气压压力传感器实现压力反馈检测；采用过零点检测避免了电源电压波动对交流气泵的影响，为单片机精确发出PWM提供触发电平信号。形成零点检测与气压传感器双检测控制方法。

本发明通过改进的气泵压力调节电路采用了气压压力传感器实现压力反馈检测；采用过零点检测电路避免了电源电压波动对交流气泵的影响，为单片机精确出发PWM提供触发电平信号。

附图说明

图1 是气泵压力调节方式框图。

图2是控制流程图。

图3是气泵负压检测电路。

图4 是气泵电压过零点检测电路。

图5是气泵电磁阀驱动电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：一种气泵压力调节方法，用以解决传统气泵控制中以过零点检测触发中断方式存在延时带来的气泵控制不稳定的问题。如图1所示，该方法以微控制器为控制核心，通过对气泵供电电源的电压波形过零点检测获取微控制器单脉冲触发控制信号，通过调节单脉冲的占空比控制交流负压泵，实现对电极吸盘内负压的抽取。采用压力传感器获取气泵负压值，通过与微控制器内的设定的初设阈值进行比较，一旦压力传感器值与设定阈值不一致，调节单脉冲占空比，实现气泵抽吸力调节，实现对单脉冲占空比的调节。气压传感器的值通过信号调理电路实现是信号的放大，以满足微控制器AD引脚对电压波动范围的要求。

压力传感器采用，压力传感器需与信号调理放大电路一起使用，采用运算放大器来构建信号调理放大电路，信号调理放大电路包括差分放大电路与三阶滤波电路。

气泵驱动使用达林顿管和可控硅配合气泵驱动采用达林顿管和可控硅配合实现。

该方法的控制流程图如图2所示。系统上电后，进入定时器初始化，完成定时器单脉冲模式设置，获取屏幕输入压力设置值，开启定时器捕获，完成预设初值设置，调节单脉冲占空比（根据屏幕设定的压力值换算后的单脉冲占空比）。判断气泵是否开启，如果气泵开启，进行过零点信号检测，当气泵压力波形过零点为0，进入压力传感器是否等于初设阈值，如果压力传感器值相等初设阈值，不进行阈值更新，调节单脉冲占空比，定时器触发单脉冲，通过驱动电路控制交流负压泵工作。当气泵不开启，程序结束。当检测到过零点信号不为0，不触发单脉冲信号。当压力传感器值不等于初设阈值，将微控制器的AD模块拉检测气压传感器压力值，更新为设定阈值，以此控制脉冲占空比。

实施例2：在实施例1基础上采用一种气泵压力调节电路，该电路主要针对现有的电刺激治疗使用的气泵压力控制存在气泵压力控制不精确、缺乏实时检测、功耗高等问题进行改进，用以解决普通电刺激治疗仪在负压感受方面给治疗患者的体验不佳的问题。

该调节电路主要包括气泵负压检测电路、气泵电压过零点检测电路和气泵电磁阀驱动电路。

具体地，气泵负压检测电路如图3所示，图中U4为负压传感器，负压变化时输出不同的差模信号，幅值很小只有毫伏级。电容C6起到滤波作用，使输出的差模信号更平稳。负压信号经过运放U3A、U3B、U3C，这三个运放构成是一个典型的三运放仪表运算放大电路。U3A、U3B为第一级放大，由于这里放大的是差模信号，这里的使用R15的中间点做参考地，相当于U3A分用R15，U3B分R15。然后上下两路U3A、U3B的反馈电阻均是阻值一样，实现了对输入的差分信号的放大30倍作用。当进入第二级运放电路时，两路差模信号输出进行减法运算，再经过3阶低通滤波（第一阶R17、C8，第二阶R18、C5，第三阶R19、C5），再经过运算放大器构成的U3D电压跟随器，提高系统带载能力并实现信号输出。U3D输出端14最大输出电压为5V。为了满足3.3V电压单片机需求，采用R21、R24电阻对5V进行分压，分压之后Fuya_1的最大输出值被限定在3.23V，达到了满足控制器AD引脚对模拟信号电压0~3.3V要求。

气泵电压过零点检测电路如图4所示，在气泵电压过零点检测电路中，JP3接插件接交流电，CX1电容用来消除差模干扰。压敏电阻R31用来消除尖峰高压，发挥电压钳位，起到保护电路作用。3个电阻并联为限流电阻，降低单个电气元器件的功耗，减少发热量。交流电通过光耦UC1，它的初级为双向的二极管。交流电为50Hz正弦波形。当正弦电压波形此刻处于定义的过零点附近时，如果电压低于光耦导通电压，次级不导通，输出为5V；当电压高与光耦导通电压时，次级导通，输出0V。当检测到电压正弦信号过零点时，出发一个控制信号给单片机触发发送PWM波形，以此保证每次过零点后单片机输出的PWM波形稳定，已达到控制气泵负压稳定的目的。

气泵电磁阀驱动电路如图5所示，该电路采用达林顿管和可控硅配合，实现对气泵和电磁阀的开关控制。达林顿管的1引脚为左侧电磁阀控制、2引脚左侧气泵控制、3引脚右侧电磁阀控制、4引脚右侧气泵控制。其中，所接的R25、R30、R32、R33均为阻值一致的电阻，起到限流作用，降低过冲，避免单片机输出的方波信号在上升沿产生的信号毛刺畸变。采用取反芯片控制，当控制引脚高电平时，对应输出引脚为低电平，这一路导通。使可控硅闭合导通，可控硅次级接电流电的零线和火线，这时气泵和电磁阀就会工作。该电路可同时控制2路电磁阀和2路气泵。图中，所有L代表火线，N代表零线。电磁阀的作用为控制排水。

通过以上气泵压力调节电路，能够解决气泵负压抽取的精确稳定控制难题，采用了气压压力传感器实现压力反馈检测；采用过零点检测电路避免了电源电压波动对交流气泵的影响，为单片机精确出发PWM提供触发电平信号。

实施例3：在实施例1基础上采用一种气泵压力调节电路，包括气泵负压检测电路、气泵电压过零点检测电路和气泵电磁阀驱动电路。

如图3所示，气泵负压检测电路包括依次连接的负压传感器、运算放大电路、低通滤波电路和电压跟随器，电压跟随器输出端经过分压后输出与控制器信号输入端连接。

其中，运算放大电路为三个运放U3A、U3B和U3C构成的三运放仪表运算放大电路，其中运放U3A与U3B的反向输入端之间串联电阻R15，运放U3A的反向输入端与其输出端连接反馈电阻R20，其中运放U3B的反向输入端与其输出端连接反馈电阻R14，运放U3B的输出端通过电阻R16连接运放U3C的反向输入端，运放U3A的输出端通过电阻R23连接运放U3C的正向输入端，运放U3C的反向输入端经过反馈电阻R13连接其输出端，负压传感器的负压变化时输出不同的差模信号，分别连接运放U3A和U3B的反向输入端。

其中，所述的低通滤波电路为三阶低通滤波电路，第一阶R17经过C8接地，R17与R18连接，第二阶R18经过C5连接运放U3D的反向输入端，电阻R18连接电阻R19，第三阶R19经过C7接地；运算放大电路（运放U3C）的输出端连接R17。

其中，所述的电压跟随器经过运算放大器构成的U3D电压跟随器，提高系统带载能力并实现信号输出，运放U3D的反向输入端连接其输出端，运放U3D的输出端经过分压后连接控制器的信号输入端。

如图4所示，气泵电压过零点检测电路，包括与交流电连接的JP3接插件、电容CX1、压敏电阻R31、限流电阻RX和光耦0，JP3接插件接交流电，连接于交流电两端的CX1电容用来消除差模干扰，连接于交流电两端的压敏电阻R31用来消除尖峰高压，串联于光耦初级输入端的限流电阻RX用于降低单个电气元器件的功耗，减少发热量，被限流电阻RX分压后的交流电通过光耦0，它的初级为双向的二极管，经过双向二极管的正弦电压波形此刻处于定义的过零点附近时，如果电压低于光耦导通电压，光耦0次级不导通，输出为5V；当电压高与光耦导通电压时，光耦0次级导通，输出0V，当检测到电压正弦信号过零点时，光耦0出发一个控制信号给控制器触发发送PWM波形，以此保证每次过零点后单片机输出的PWM波形稳定，以达到控制气泵负压稳定的目的。

其中，所述的气泵电磁阀驱动电路同时控制2路电磁阀和2路气泵，达林顿管的1引脚为左侧电磁阀控制、2引脚左侧气泵控制、3引脚右侧电磁阀控制、4引脚右侧气泵控制，如图2所示。所述的气泵电磁阀驱动电路使可控硅闭合导通，可控硅次级接交流电的零线和火线，这时气泵和电磁阀就会工作。

如图5所示，气泵电磁阀驱动电路包括达林顿管、可控硅组、气泵组和电磁阀组，控制器的多路输出信号输出端分别经过相应的限流电阻连接达林顿管的各信号输入端，达林顿管的多路信号输出端分别经过可控硅连接相应气泵和电磁阀的控制端。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种气泵压力调节方法，其特征在于，以微控制器为控制核心，通过对气泵供电电源的电压波形过零点检测得到微控制器单脉冲触发控制信号，通过调节单脉冲的占空比控制交流负压泵，实现对电极吸盘内压力调节；采集电极吸盘内压力传感器获取气泵负压值作为反馈，通过与微控制器内的设定的初设阈值进行比较，一旦压力传感器值与设定阈值不一致，调节单脉冲占空比，实现气泵抽吸力调节，使测量压力值与设定值相等；压力传感器的值通过信号调理电路实现信号的放大，以满足微控制器AD引脚对电压波动范围的要求。

2.根据权利要求1所述的气泵压力调节方法，其特征在于，压力传感器与信号调理放大电路一起使用，采用运算放大器来构建信号调理放大电路，信号调理放大电路包括差分放大电路与三阶滤波电路，压力传感器的信号端连接差分放大电路的输入端，差分放大电路的输出端连接三阶滤波电路，三阶滤波电路的输出端连接所述微控制器的信号输入端，或通过运放或分压连接所述微控制器的信号输入端。

3.根据权利要求1所述的气泵压力调节方法，其特征在于，还包括气泵压力调节电路，该电路包括气泵负压检测电路和气泵电磁阀驱动电路，其中所述的气泵负压检测电路包括依次连接的负压传感器、运算放大电路、低通滤波电路和电压跟随器，电压跟随器输出端经过分压后输出与控制器信号输入端连接；所述的气泵电磁阀驱动电路包括达林顿管、可控硅组、气泵组和电磁阀组，控制器的多路输出信号输出端分别经过相应的限流电阻连接达林顿管的各信号输入端，达林顿管的多路信号输出端分别经过可控硅连接相应气泵和电磁阀的控制端。

4.根据权利3所述的气泵压力调节方法，其特征在于，还包括气泵电压过零点检测电路，该电路中包括与交流电连接的JP3接插件、电容CX1、压敏电阻一（R31）、限流电阻RX（R27、R28、R26）和光耦UC1，JP接插件接交流电，连接于交流电两端的CX1电容用来消除差模干扰，连接于交流电两端的压敏电阻一（R31）用来消除尖峰高压，串联于光耦（UC1）初级输入端的限流电阻RX用于降低单个电气元器件的功耗，减少发热量，被限流电阻RX分压后的交流电通过光耦0，它的初级为双向的二极管，经过双向二极管的正弦电压波形此刻处于定义的过零点附近时，如果电压低于光耦导通电压，光耦0次级不导通，输出为5V；当电压高与光耦导通电压时，光耦0次级导通，输出0V，当检测到电压正弦信号过零点时，光耦0出发一个控制信号给控制器触发发送PWM波形，以此保证每次过零点后单片机输出的PWM波形稳定，以达到控制气泵负压稳定的目的。

5.根据权利3所述的气泵压力调节方法，其特征在于，所述运算放大电路为三个运放U3A、U3B和U3C构成的三运放仪表运算放大电路，其中运放U3A与U3B的反向输入端之间串联电阻二（R15），运放U3A的反向输入端与其输出端连接反馈电阻三（R20），其中运放U3B的反向输入端与其输出端连接反馈电阻四（R14），运放U3B的输出端通过电阻五（R16）连接运放U3C的反向输入端，运放U3A的输出端通过电阻六（R23）连接运放U3C的正向输入端，运放U3C的反向输入端经过反馈电阻七（R13）连接其输出端，负压传感器的负压变化时输出不同的差模信号，分别连接运放U3A和U3B的反向输入端。

6.根据权利3所述的气泵压力调节方法，其特征在于，所述的低通滤波电路为三阶低通滤波电路，第一阶电阻八（R17）经过电容一（C8）接地，电阻八（R17）与电阻九（R18）连接，第二阶电阻九（R18）经过电容二（C5）连接运放U3D的反向输入端，电阻九（R18）连接电阻十（R19），第三阶R19经过电容三（C7）接地；运算放大电路的输出端连接电阻八（R17）。

7.根据权利3所述的气泵压力调节方法，其特征在于，所述的电压跟随器经过运算放大器构成的U3D电压跟随器，提高系统带载能力并实现信号输出，运放U3D的反向输入端连接其输出端，运放U3D的输出端经过分压后连接控制器的信号输入端。

8.根据权利3所述的气泵压力调节方法，其特征在于，所述的气泵电磁阀驱动电路同时控制2路气泵，达林顿管的1引脚为左侧电磁阀控制、2引脚左侧气泵控制、3引脚右侧电磁阀控制、4引脚右侧气泵控制。

9.根据权利3所述的气泵压力调节方法，其特征在于，所述的气泵电磁阀驱动电路使可控硅闭合导通，可控硅次级接交流电的零线和火线，这时气泵和电磁阀就会工作。

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