胡银伟，王恒杰，段 书

（中部战区总医院（汉口院区）医学工程科，武汉 430010）

0 引言

近几年来，各医院新建手术室基本都采用水冷柜式空调机组进行温湿度控制和空气过滤，而常见的加湿方式有电极蒸汽式、电热蒸汽式、滴下浸透气化式、湿膜式等[1]。其中电极蒸汽式加湿桶应用最为广泛，其原理为：利用自来水通电，依靠水中离子运动产生蒸汽，通过喷雾管连接进机组进行加湿。但自来水的水质硬度过大或过小均会影响加湿器的工作性能，其缺点是功率较高，加湿罐结垢现象严重、清洗困难，容易损坏，维护费用高。电热蒸汽式加湿器是利用加热丝对软化水加热产生蒸汽后输送到机组，其缺点是加热功率高、存在一定的安全隐患，且随着使用时间的增加，产生蒸汽的效率明显下降。

目前，超声雾化器主要用于临床呼吸系统疾病的治疗和医疗美容，其工作原理及作用过程如下：利用振荡器驱动雾化片（压电陶瓷）产生谐振形成超声波，根据微激波理论和表面张力波理论对水溶液作用产生雾化，在风机的推动下把雾化水雾经管路送至治疗区域[2-4]。文献[5]中指出，超声波雾化与加热雾化相比，在相同的雾化结果下超声波雾化方式在能源输入方面节省了90%的能量。

因此，本文设计了一种新型超声雾化加湿器，可替代电极蒸汽式加湿桶、电热蒸汽式加湿器等现有加湿器，采用多个雾化振子作为可调控的雾化源，实现雾化湿度的精准控制，在保障加湿效果的前提下，降低了能耗和故障发生率。此外，因水雾中含有大量的负离子，能吸收空气中的有害成分，从而提高了空气质量。

1 设计

本文设计了一款以MCS-51单片机微控制单元（microcontroller unit，MCU）为核心的多源智能超声雾化加湿器，通过超声雾化振子及起振驱动电路组成M×N的行列矩阵，温湿度传感器DHT11定期检测机组内空气湿度值并传递给MCU，MCU采用模糊控制的智能调控方式[6]通过计算分析后控制超声雾化振子矩阵中每一个振子的状态，从而决定总的雾化量。该装置主要由主机和雾化槽2个部分组成，图1为多源智能超声雾化加湿器的主机结构图，图2为多源智能超声雾化加湿器的设计示意图。

图1 多源智能超声雾化加湿器主机结构图

图2 多源智能超声雾化加湿器的设计示意图

1.1 工作原理

通电后，MCU首先通过水位检测电路检测当前水位，当水位低于最低水位要求时（亮红灯），所有超声雾化振子均不工作并且驱动电磁阀导通，将处理后的水加入雾化槽内直至水位达到最高水位线。当雾化槽内的水位高于最低水位线时，单片机执行扫描振子的程序控制扫描电路，判断是否存在故障振子并记录位置，温湿度传感器定时检测机组内空气的湿度X（亮绿灯）。通过按键设定所需湿度值Y并按下开始键，单片机根据湿度值Y与X的差异，采用模糊控制算法，自动控制产生雾化的振子数目，通过逐次逼近的方法使得X近似等于Y并能维持较少的起振数目以抵消正常湿度损耗，且总雾化量取决于产生雾化振子的数目。通过液晶显示电路不仅可以实时显示实际空气湿度X和设定的湿度Y，还可以显示雾化槽内故障振子的位置，便于后期维护与更换，实现智能化控制。

1.2 电路设计

本文采用Proteus软件进行仿真实验，其中MCU选用性价比较高的STC89C52RC，通过按键设置所需湿度Y并在液晶显示器（liquid crystal display，LCD）上显示，用开关模拟水位状况（开关闭合表示水位达到最低水位，开关断开表示水位低于最低水位）并用发光二极管（light emitting diode，LED）指示加湿器的工作状态。

1.2.1 主控电路

MCU STC89C52RC采用+5 V供电，XTAL1和XTAL2端口连接12.00 MHz的晶振作为MCU的时钟。由于STC89C52RC的I/O端口数目有限，本设计中采用可编程外设接口Intel 8255作为MCU通用I/O端口扩展芯片[7]，用于控制超声雾化振子的驱动起振电路。P1.7引脚用于控制电磁阀的状态，其他端口分别连接LCD、温湿度传感器DHT11、按键、水位开关等，如图3所示。

图3 多源智能超声雾化加湿器MCU主控电路图

1.2.2 超声雾化振子振荡驱动电路

目前超声雾化的驱动电路及其控制方法有很多。根据文献[8]中的关键驱动电路技术分析，在本次设计中提出如图4所示的振荡驱动控制电路。为了能用单片机控制起振驱动电路，以石英晶体构成的多谐振荡器作为信号源来控制金属-氧化物-半导体（metal-oxide-semiconductor，MOS）管 IRF530 多路复用的导通或截止，最后在雾化振子两端形成较高的振荡电压使振子起振产生雾化。为了隔离耦合信号、降低干扰，选用光电耦合器U2配合继电器RL1作为电子开关，在控制信号 PZTX（X=1，2，...，64）的作用下决定继电器RL1是否形成通路。

图4 超声雾化振子振荡驱动电路

1.2.3 温湿度检测及液晶显示电路

数字温湿度传感器DHT11[9]是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，具有极高的可靠性和稳定性。该传感器包括一个电阻式测湿元件和一个NTC测温元件，可与一个高性能的8 bit单片机连接。显示电路采用的字符型液晶LCD1602是一种专门用来显示字母、数字、符号等信息的点阵型液晶模块，用于显示湿度的设定值、当前值及故障振子的位置。温湿度检测及显示电路如图5所示。

图5 温湿度检测及液晶显示电路

1.2.4 超声雾化振子雾化扫描及控制电路

通电后，当水位高于最低水位线时，单片机开始执行振子扫描驱动控制程序，依次控制M个光电传感器检测雾化振子是否起振产生雾气：当有雾气产生时会阻碍光的传播，接收到的光信号就会减少或消失；反之会接收到足够的光信号，表示雾化振子并没有起振或雾化量很小。若发现雾化振子没有起振雾化，则记录该振子的位置及个数。超声雾化振子雾化扫描及控制电路如图 6 所示，其中引脚 PZTX（X=1，2，...，64）用于控制雾化振子的工作状态，引脚ScanX（X=1，2，...，8）用于控制扫描电路发光端的工作状态。

图6 超声雾化振子雾化扫描及控制电路

1.2.5 按键及指示灯电路

为节约MCU的I/O端口，按键电路采用矩阵设计，运用行扫描的方式读取按键数据。为了更加直观地显示多源智能超声雾化加湿器的工作状态，采用LED指示其工作状态，具体电路如图7所示。

图7 按键及指示灯电路

1.3 软件设计

为方便后期调试，分别编写按键、液晶显示、温湿度传感器和雾化振子驱动等程序，并对其一一进行验证。为提高系统运行稳定性，软件设计时采用了RTX51实时多任务操作系统[10]，将程序运行时间划分成多个时间片，按照一定的顺序为不同的任务分配不同的时间片以实现多任务并行工作。系统整体被分成如下所示的几个任务：

（1）任务0：用于复位单片机、初始化设置通用I/O端口扩展芯片8255，同时启动所有其他任务，然后停止本任务。

（2）任务1：执行温湿度和水位检测，并点亮相应的指示灯。

（3）任务2：执行振子扫描程序，并点亮相应的指示灯。

（4）任务3：驱动液晶显示屏LCD1602，显示设定湿度值（默认值）、当前湿度值和故障振子位置编号。

（5）任务4：根据模糊控制算法控制振子起振。

（6）任务5：检测按键，根据按键调整设定的湿度，并向任务2发送信号以更新湿度设定值。

（7）任务6：查询开始按键是否被按下，如果按下则向任务1发送信号，开始产生雾化。

1.3.1 振子扫描驱动设计

MCU控制光电传感器发光元件，依次对振子矩阵进行行扫描，利用雾气对光传播的阻碍作用，通过读取感光元件的状态判断振子是否起振产生雾化效果，并记录故障振子的数目J和位置编号S（i）。

1.3.2 模糊控制算法设计

执行完振子扫描程序后，获得正常起振雾化的振子数目P（P≤M×N)、故障振子的位置编号S（i）及当前空气湿度X，根据设定的需求湿度Y与X的差值Z，把空气品质Q分为空气很干燥DG、空气较干燥MG、空气湿度良好HG和空气过度潮湿CG，如公式（1）、（2）所示：

当需求湿度Y大于当前空气湿度X时，无论空气品质Q为DG还是MG，MCU直接控制P个振子产生雾化，快速提高空气品质Q到HG且空气湿度升到Y-3，之后只启动半数正常的雾化振子，把t0时刻空气湿度值记作Xt0、t0+T时刻空气湿度值记作Xt0+T，用状态位s标记当前正增加雾化振子数目（s=1），还是在减少雾化振子数目（s=0），并执行图8的逻辑判断。

图8 模糊控制算法控制逻辑

1.3.3 温湿度传感器驱动设计

硬件电路中DHT11的DATA引脚与MCU中P3.5引脚相连，用于采用单总线数据格式的同步通信，1次通信时间约4 ms，数据分为小数部分和整数部分（当前小数部分用于以后扩展，现读数为零）[9]。主机MCU向DHT11发送一次开始信号，激活DHT11由低功耗模式转向高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，传输40 bit的数据，并触发一次信号采集。DHT11单总线通信过程如图9所示。

图9 DHT11单总线通信过程

2 测试与验证

Proteus软件是一款比较好的仿真单片机及外围器件的工具，其内部建立了完备的电子设计开发环境。本文运用该软件对整体设计进行逻辑分析与判断，并验证其可行性。在仿真电路中，采用16个LED的亮灭来模拟4×4的雾化振子启停状态，用光敏电阻模拟光电传感器，调节按键设置需求湿度Y=60并将需求湿度Y和初始湿度X=30在LCD上显示。按下开始键，振子扫描电路开始工作，把设置为故障振子的编号和正常振子的数目均显示在LCD上（如图10所示），之后所有正常振子开始工作，通过手动调节DHT11外设的湿度值以模拟雾化效果。结果显示，不论如何改变DHT11湿度值，MCU均能很好地控制处于工作状态的振子数目，拟合特定的湿度控制曲线，以维持湿度稳定，仿真结果如图11所示。

图10 多源智能超声雾化加湿器仿真显示结果

图11 控制拟合特定曲线图

3 结语

本文设计的多源智能超声雾化加湿器可作为暖通空调[11]采用的一种新型加湿技术，可用于医疗卫生、工业、建筑业等各个领域，且显著降低了能耗，具有一定的实用价值和社会价值。此次软件仿真实验结果验证了本文设计的逻辑性及各个电路的可实现性。后续工作重点包括优化模糊控制算法、选择精度更高的湿度传感器和扩展雾化振子矩阵的大小。完成上述工作后可以购买元器件对本文设计增加振子扫描电路并进行硬件调试实验，从而进一步完善设计。