Ингалятор на основе ультразвука

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1.Обзор существующих методов и аппаратов

1.1 Физические основы и применение ультразвука

1.2 Обзор существующих методов

1.3 Обзор существующих аппаратов

2. Анализ задания

3 Разработка и обоснование структурной схемы аппарата

4. Разработка электрической схемы блока управления аппаратом

5 Разработка концептуального алгоритма работы аппарата

6 Разработка функционального алгоритма работы аппарата

7 Разработка программы микропроцессорного блока

Заключение

Список используемых источников



ВВЕДЕНИЕ

ультразвук ингаляция аппарат микропроцессорный

Развитие медицинской техники, увеличение количества и улучшение качества получаемой информации в последние годы привело к применению разнообразнейших методов диагностики и лечения, использовать которые раньше не представлялось возможным.

В наше время заболевания верхних и нижних дыхательных путей относятся к наиболее распространенным заболеваниям. Бронхиты, риниты, ангины и другие заболевания требуют своевременного лечения, т.к. могут перерасти в хроническую форму. Это лечение обычно заключается в приеме различных лекарственных средств, антибиотиков, а также применение терапевтической процедуры называемой ингаляцией. Приборы, используемые для проведения этой процедуры, называются ингаляторами.

Ингаляторы используются для того, чтобы доставить непосредственно в дыхательную систему такие лекарства как:

бронхолитики;

антибактериальные препараты;

антисептики;

препараты, разжижающие мокроту;

иммуномодуляторы;

препараты для проведения гормональной терапии.

В данном курсовом проекте рассмотрен и модифицирован прибор для быстрого и эффективного излечения простудных заболеваний, бронхиальных и легочных заболеваний, который носит название ингалятора на основе ультразвука.



1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И АППАРАТОВ

Ингалятор - это специальный аппарат, посредством которого осуществляется поступление лекарства непосредственно в дыхательную систему с целью оказать лечебное или профилактическое воздействие на эти органы. Другое распространённое название приборов для ингаляций - небулайзеры ("Nebula" - в переводе с латинского означает "облако" или "туман").

Аппараты для ингаляций появились в 19 веке. Слово "Небулайзер" было впервые использовано как второе название для ингаляторов в 1872 году. В конце 19-го века был изобретен стеклянный ингалятор, представлявший собой большой стеклянный сосуд с отходящими от него трубками, в котором аэрозоль получали, преобразуя лекарственное вещество в пар путем нагревания. В 1938 году появился ручной балонный ингалятор по типу парфюмерного распылителя. В 30-е годы прошлого века ингаляторы стали использовать для лечения бронхиальной астмы. В этот же период выделилось два основных направления в развитии ингаляционной технологии: первый - совершенствование ингаляторов, а второй - создание индивидуальных дозирующих ингаляторов.

Принцип работы ингаляторов заключается в следующем: небулайзеры образуют взвесь из мельчайших частиц, содержащих лекарство (аэрозоль), которые при вдохе попадают в дыхательную систему. Надо отметить, что генерируются частицы разного масштаба, в зависимости от того, для каких органов дыхания предназначена ингаляция (верхние или нижние дыхательные пути).

Преимущество ингаляционной терапии перед другими методами заключается в более быстром всасывании лекарственных препаратов, увеличении активной поверхности лекарственного вещества, депонировании его в подслизистом слое (богатом кровеносными и лимфатическими сосудами), создании высоких концентраций лекарственных веществ непосредственно в очаге поражения.

1.1 Физические основы и применение ультразвука

По своей физической природе ультразвук представляет собой упругие волны и в этом он не отличается от звука. Частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами поэтому условна; она определяется субъективными свойствами человеческого слуха и соответствует усреднённой верхней границе слышимого звука. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн имеет место ряд особенностей распространения ультразвука. Так, для УЗВЧ длины волн в воздухе составляют 3,4?10^-3--3,4?10^-5 см, в воде 1,5?10^-2--1,5 ?10^-4 см и в стали 5?10^-2-- 5?10^-4 см. Ультразвук в газах и, в частности, в воздухе распространяется с большим затуханием. Жидкости и твёрдые тела (в особенности монокристаллы) представляют собой, как правило, хорошие проводники ультразвука, затухание в которых значительно меньше. Так, например, в воде затухание ультразвука при прочих равных условиях приблизительно в 1000 раз меньше, чем в воздухе. Поэтому области использования УСЧ и УЗВЧ относятся почти исключительно к жидкостям и твёрдым телам, а в воздухе и газах применяют только УНЧ. Ввиду малой длины волны ультразвука на характере его распространения сказывается молекулярная структура среды, поэтому, измеряя скорость ультразвука с и коэффициент поглощения б, можно судить о молекулярных свойствах вещества. Характерная особенность распространения ультразвука в газах и жидкостях -- существование отчётливо выраженных областей дисперсии, сопровождающейся резким возрастанием его поглощения. Коэффициент поглощения ультразвука в ряде жидкостей существенно превосходит рассчитанный по классической теории и не обнаруживает предсказанного этой теорией увеличения, пропорционального квадрату частоты. Все эти эффекты находят объяснение в релаксационной теории, которая описывает распространение ультразвука в любых средах и является теоретической базой современной молекулярной акустики, а основной экспериментальный метод -- измерение зависимости с и особенно б от частоты и от внешних условий (температуры, давления и др.).

Важная особенность ультразвука, -- возможность получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, так как при данной амплитуде плотность потока энергии пропорциональна квадрату частоты. Ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть описаны лишь законами нелинейной акустики. Так, распространению ультразвуковых волн в газах и в жидкостях сопутствует движение среды, которое называют акустическим течением. Скорость акустического течения зависит от вязкости среды, интенсивности ультразвука и его частоты; вообще говоря, она мала и составляет доли % от скорости ультразвука.

К числу важных нелинейных явлений, возникающих при распространении интенсивного ультразвука в жидкостях, относится акустическая кавитация -- рост в ультразвуковом поле пузырьков из имеющихся субмикроскопических зародышей газа или пара в жидкостях до размеров в доли мм, которые начинают пульсировать с частотой ультразвука и захлопываются в положительной фазе давления. При захлопывании пузырьков газа возникают большие локальные давления порядка тысяч атмосфер, образуются сферические ударные волны. Возле пульсирующих пузырьков образуются акустические микропотоки. Явления в кавитационном поле приводят к ряду как полезных (получение эмульсий, очистка загрязнённых деталей и др.), так и вредных (эрозия излучателей ультразвука) явлений. Частоты ультразвука, при которых используется ультразвуковая кавитация в технологических целях, лежат в области УНЧ. Интенсивность, соответствующая порогу кавитации, зависит от рода жидкости, частоты звука, температуры и др. факторов. В воде на частоте 20 кГц она составляет около 0,3 Вт/см². На частотах диапазона УСЧ в ультразвуковом поле с интенсивностью от нескольких Вт/см² может возникнуть фонтанирование жидкости и распыление её с образованием весьма мелкодисперсного тумана.

Для генерирования ультразвуковых колебаний применяют разнообразные устройства, которые могут быть разбиты на 2 основные группы -- механические, в которых источником ультразвука является механическая энергия потока газа или жидкости, и электромеханические, в которых ультразвуковая энергия получается преобразованием электрической. Основной метод излучения ультразвука -- преобразование тем или иным способом электрических колебаний в колебания механические. В диапазоне УНЧ возможно применение электродинамических и электростатических излучателей.

Применения ультразвука чрезвычайно разнообразны. Ультразвук служит мощным методом исследования различных явлений во многих областях физики. Так, например, ультразвуковые методы применяются в физике твёрдого тела и физике полупроводников.

Также ультразвук применяется в технике, гидроакустике, биологии и др.

Ультразвук используется для диагностики, терапевтического и хирургического лечения в различных областях клинической медицины. Так, с помощью ультразвука обнаруживаются опухоли мягких тканей, часто не различимые др. способами. Ультразвук применяют в акушерстве для диагностического исследования плода и беременной женщины, в нейрохирургии -- для распознавания опухолей в головном мозге, в кардиологии -- для изучения гемодинамики, выявления гипертрофии мышцы сердца. Микромассаж тканей, активация процессов обмена и локальное нагревание тканей под действием ультразвука используются в медицине для терапевтических целей.

В таблице №1 представлены некоторые области применения ультразвука и диапазоны его применения.



Таблица №1- области применения ультразвука

Частота кГц 1 10 100 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷

Исследование состава и св-в веществ	газы
	жидкости
	твёрд.тела
Гидролокация
УЗ дефектоскопия
Контроль уровней и разм.
Медицинская диагностика
Коагуляция аэрозолей
Распыление
Терапия
Хирургия

1.2 Обзор существующих методов

Современная ингаляционная аппаратура подразделяется на стационарные установки и портативные аппараты. В связи с доступностью и удобством все больше применяются портативные ингаляционные аппараты.

Существует несколько основных типов ингаляторов:

карманные жидкостные ингаляторы на фреоне;

карманные порошковые ингаляторы;

паровые ингаляторы;

ультразвуковые ингаляторы;

компрессорные небулайзерные ингаляторы (туманообразователи).

В карманном жидкостном ингаляторе аэрозоль образуется под действием струи фреона, выходящей из баллона, где фреон находится под давлением около 4 атм. При нажатии клапана распыляется строго отмеренное количество препарата. Карманные жидкостные ингаляторы используют для введения в дыхательные пути b-адреномиметических средств и глюкокортикоидов.

Небольшие размеры и простота применения карманного жидкостного ингалятора позволяют больному в любой момент самостоятельно провести ингаляцию. Это позволяет улучшить качество жизни больных.

Карманный порошковый ингалятор содержит лекарственное вещество в виде мелкодисперсного порошка, разделенного на равные дозы. В момент ингаляции контейнер с одной дозой порошка вскрывается, больной производит вдох через ингалятор, и порошок попадает в дыхательные пути.

Паровые ингаляторы считаются наиболее традиционными, так как вошли в обиход достаточно давно. Такие небулайзеры предназначены для ингаляций верхних дыхательных путей (носоглотки и трахеи). К тому же, образуемый пар содержит крупные частицы лекарства, поэтому не каждое лекарственное средство подходит для использования в таком аппарате.

Новейшим достижением нашего времени являются ультразвуковые ингаляторы. Ультразвуковые ингаляторы для создания аэрозоля используют высокочастотные механические колебания, создаваемые пьезокерамической пластинкой и передаваемые лекарственному раствору.

Ингалятор состоит из распылительной камеры, на дне которой находится пьезоэлемент, высокочастотного генератора и загубника, присоединяемого сверху к камере. На пьезоэлемент от высокочастотного генератора подается непрерывное синусоидальное напряжение с фиксированной частотой, выбранной в пределах от 1 до 3 МГц. Переменное напряжение возбуждает пьезоэлемент, вынуждая его совершать механические колебания по толщине с той же частотой. Вследствие того, что верхняя поверхность пьезоэлемента контактирует с жидким раствором лекарственного препарата, в растворе распространяются ультразвуковые волны, движущиеся от поверхности пьезоэлемента вверх до границы раствора с воздухом.

Вследствие резко отличных друг от друга физических характеристик жидкого раствора и воздуха на границе их раздела выделяется энергия ультразвуковых волн. В результате в месте концентрации ультразвукового пучка возникает фонтанчик, вокруг которого образуется большое количество мелких частичек раствора, отрывающихся от поверхности фонтанчика и создающих облако аэрозоля.

Отдельные частицы облака аэрозоля хаотически перемещаются внутри распылительной камеры, и малая часть их может выходить через отверстия в камере, однако, большая часть оседает на стенках камеры или постепенно опускается под действием силы тяжести вниз, возвращаясь обратно в раствор.

Также существуют ультразвуковые ингаляторы с принудительной подачей аэрозоля с помощью небольшого вентилятора, встроенного в корпус ингалятора и обеспечивающего подачу воздуха в распылительную камеру под давлением, что приводит к ``выдуванию'' аэрозоля через загубник. Однако, наличие вентилятора усложняет конструкцию ингалятора и, кроме того, затруднена возможность отключения подачи аэрозоля на фазе выдоха, что приводит к потерям лекарственного препарата.

К достоинствам ультразвуковых ингаляторов можно отнести следующее:

Меньший вес и габариты по сравнению с компрессорными ингаляторами.

Большой объем лекарственного препарата, заливаемого в распылительную камеру.

Более высокая производительность, чем у компрессорных ингаляторов.

Более просто реализуемая возможность подогрева аэрозоля.

Просто реализуемая возможность регулировки производительности.

Отсутствие шума при работе.

Компрессорные ингаляторы используют для создания аэрозоля струю газа, чаще всего воздуха, который под давлением поступает в узкое отверстие (сопло распылительной камеры). В результате на выходе сопла скорость истечения газа возрастает, что приводит к резкому падению давления возле струи. Под действием разрежения жидкий лекарственный препарат по узким подводящим каналам начинает поступать к выходу сопла, где смешивается с воздушным потоком и распадается под его действием на отдельные частицы. Поток частиц ударяется об отражатель (отбойник), расположенный на выходе сопла. Назначение отражателя - разбивать крупные частицы на более мелкие, которые потоком воздуха выносятся через загубник к пациенту. Некоторое количество частиц осаждается на отражателе и на стенках распылительной камеры, стекая постепенно на дно камеры. Компрессорные ингаляторы иногда называют пневматическими, а также струйными. В состав индивидуальных компрессорных ингаляторов входят компрессор и распылительная камера.

Назначение компрессора - подача сжатого воздуха в распылительную камеру. Максимальное давление компрессора на входе распылительной камеры в индивидуальных ингаляторах находится в диапазоне от 1,5 до 2,5 атм., при этом расход воздуха обеспечивается в пределах 5 15 л/мин в зависимости от типа и мощности компрессора.

В индивидуальных ингаляторах используются компрессоры двух типов:

поршневые (piston compressor);

мембранные или диафрагменные (membrane or diaphragm compressor).

Как правило, поршневые компрессоры обеспечивают более продолжительный срок службы, чем мембранные.

Важнейшим узлом компрессорного ингалятора является распылительная камера (небулайзер). Этот элемент наряду с компрессором определяет основные характеристики ингалятора: размер основной массы частиц аэрозоля, возможность дозирования лекарственного препарата, управление подачей аэрозоля и т.д.

К достоинствам компрессорных ингаляторов относится:

Возможность создания аэрозолей не только на основе водных и спиртовых лекарственных растворов, но и с использованием масляных лекарственных препаратов.

Несколько меньший остаточный объем лекарственного препарата, чем в ультразвуковых ингаляторах.

Требования к ингаляторам различаются в зависимости от того, в каких условиях и для лечения каких заболеваний применяются ингаляторы. Этим требованием должен отвечать определенных набор характеристик ингалятора.

В современной медицине нашли широкое применение ультразвуковые и компрессорные ингаляторы. Так, большинство ведущих марок медицинской техники специализируются именно на них.

1.3 Обзор существующих аппаратов

Рассмотрим характеристики ингаляторов различных компаний-производителей медицинской техники. Начнем с компании Omron Healthcare, которая специализируется как на ультразвуковых, так и на компрессорных ингаляторах.

Компрессорные ингаляторы данной фирмы формируют аэрозольное облако за счет продавливания через узкое отверстие в камере, содержащей лечебный раствор, мощного потока воздуха, нагнетаемого компрессором. Размеры частиц, образующиеся при этом, составляют в среднем 5 мкм, что позволяет им проникать во все отделы бронхиального дерева, включая самые мелкие бронхи, и осаждаться на слизистых оболочках, создавая там высокие терапевтические концентрации. Уровень шума в данных ингаляторах составляет от 50 до 60 Дб, что обеспечивает практически бесшумную работу прибора.

Ультразвуковые ингаляторы компании Omron Healthcare распыляют раствор колебаниями ультразвука. Они компактны, бесшумны и надежны, но ряд препаратов разрушаются в ультразвуковой среде и не могут применяться в ультразвуковых ингаляторах.

Все ингаляторы данной марки могут питаться как от сети (220-240В), так и от батареек.

Следующими рассмотрим ингаляторы компании MED 2000. Данная компания также разрабатывает компрессорные и ультразвуковые ингаляторы, а также специализируется на разработке ингаляторов специально для детей.

Компрессорные ингаляторы данной марки питаются от сети 220-240В, шумовой порог составляет 45-60 Дб, а давление выталкивания воздуха составляет 2-2,5 Бар.

Ультразвуковые ингаляторы имеют следующие характеристики: Напряжение питании также составляет 220-240 В, потребляемая мощность составляет 17 Вт, частота колебаний ультразвука - 2,5 МГц.

Работа детских ингаляторов основана на компрессионном методе распыления. Напряжение питания составляет 220-240 В, шумовой порог составляет 54 Дб и давление выталкивания воздуха 2,5 Бар.

Далее рассмотрим характеристики ультразвукового ингалятора Туман-1.1, который рассматривается в данном курсовом проекте. Данный ингалятор применяется в пульмонологии, оториноларингологии, педиатрии. Питание осуществляется от сети переменного тока напряжением 220В с частотой 50, 60 Гц, потребляемая мощность не более 40 Вт, рабочая частота составляет 2,641% МГц.

Таким образом, ингаляционная (небулайзерная) терапия - один из главных видов лечения воспалительных заболеваний дыхательных путей.



2 АНАЛИЗ ЗАДАНИЯ

Целью данного курсового проекта является разработка микропроцессорного блока управления для компрессорного ингалятора.

Назначение данного аппарата заключается в оказании лечебного и профилактического воздействия на дыхательную систему организма человека, лечения воспалительных заболеваний дыхательных путей (таких как ангины, бронхита, бронхиальной астмы и других) распыляемыми под действием давления аэрозолями.

Технические данные аппарата следующие:

Аппарат обеспечивает параметры и характеристики при питании от сети переменного тока с номинальной частотой 50 Гц и напряжением 220В10% для обеспечения необходимой мощности потребляемой аппаратом. Аппарат обеспечивает максимальную производительность распыления препаратов составляющую не менее 0,6 мл/мин., при этом в дыхательную систему попадает достаточное количество лекарственного аэрозоля, необходимого для обеспечения лечебного эффекта.

Максимальное время процедуры выбирается не больше 25 минут. Это является необходимым временем для проведения ингаляционной процедуры, за которое необходимое количество распыленный лекарственных частиц оседает в дыхательной системе больного. На основании вышеизложенного будет целесообразным реализовать микропроцессорный блок управления, отвечающий следующим требованиям: задание времени процедуры производится с помощью клавиатуры, информация выводится на экран ЖКИ-модуля. Согласованную работу ЖКИ-модуля и клавиатуры обеспечивает микроконтроллерный блок управления.

Реализацию такого микропроцессорного блока управления будем производить на основе CIP-микроконтроллера, соответствующего стандарту 8051.



3 РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ АППАРАТА

Рассмотрим основные блоки аппарата:

Центральной частью системы является микроконтроллерный блок, управляющий работой аппарата, представляет собой функционально завершенное устройство обработки и отображения данных.

Для связи микроконтроллера с пользователем применяется клавиатура и жидкокристаллический индикатор. С помощью данной клавиатуры устанавливаются необходимые параметры работы прибора. Все устанавливаемые параметры выводятся на дисплей ЖКИ-модуля.

Сетевой вход служит для ослабления напряжения радиопомех, а также для исключения возможных поражений электрическим током при случайном прикосновении к штырям извлеченной из розетки вилки.

Трансформатор необходим для преобразования сетевого напряжения 220 В 10% частотой 50 Гц, подводимого к его первичной обмотке, в рабочее напряжение переменного тока со значениями 7 В и 22В.

Далее сигнал поступает на выпрямители, на выходе которых напряжение составляет +24В и +5В.

К выпрямителю также подсоединен компрессор, служащий для выдувания аэрозолей, который управляется посредством реле и ключом. Реле и ключ в свою очередь управляются при помощи микроконтроллера.

Структурная схема приведена в приложении.



4 РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ БЛОКА УПРАВЛЕНИЯ АППАРАТОМ

В основе микропроцессорного блока управления лежит микроконтроллер фирмы Silicon Laboratories C8051F320.

аналоговая периферия

- 10 АЦП 

- программируемая скорость до 200 тыс. преобразований в секунду;

-до 17 или 13 внешних входов; программируемых как один или несколько концевых;

- VREF от внешнего VREF, внешнего вывода или VDD; 

- опция подключения внешнего канала;

- встроенный датчик температуры;

- 2 компаратора;

-POR/Brown- Out детектор;

usb функциональный контроллер

- совместимость с USB спецификацией 2.0;

- полноскоростное (12Mбит/с) или низкоскоростное (1.5 Mбит/с) выполнение операций ;

- интегрированное обнуление часов, не требуется доп. кристалл ;

- 1K байт USB буферной памяти;

- поддерживает восемь конечных точки с фиксированным набором функций;

- интегрированный трансивер, нет необходимости в использовании внешних сопротивлений;

встроенный отладчик

- полный встроенный отладчик, отладка в системе (не требует эмулятора!);

- предусмотрена установка контрольных точек, временных точек и пошаговое движение программы; 

Энергопотребление от 4.0В до 5.25В

высокоскоростное ядро 8051

до 25 - конвейерная архитектура инструкций;

- выполнение 70% команд за 1 или 2 такта;

- производительность MIPS на тактовой частоте 25МГц;

- расширенная обработка прерываний;

память

-2304 байт внутренней памяти RAM (1К + 256+ 1K USB FIFO);

-16К байт FLASH памяти, программируемой "в системе" секторами по 512байт;

цифровая периферия

- 25/21 порт ввода/вывода с допустимостью значений до 5 В;

- расширенный SPI™, расширенный UART и SMBus™ последовательные порты ;

- четыре 16 битных счётчика/таймера общего назначения;

- 16 битный программируемый счётчик (PCA) с пятью модулями захвата/сравнения;

- режим часов реального времени, используя внешний источник и PCA или таймер;

источники тактового сигнала:

- встроенный программируемый осциллятор с точностью 0.25%, поддерживает все UART и USB режимы;

- внешний осциллятор: кварцевый резонатор, RC, C - цепочки или внешний генератор;

- переключение между источниками "налету", используя энергосберегающую стратегию

корпуса:

32- выводной LQFP (C8051F320)

28- выводной MLP (C8051F321)

температурный диапазон:

-40 °C to +85 °C

Он должен обеспечивать согласованную работу внешних устройств.

Все внешние устройства подключаются к микроконтроллеру через порты ввода/вывода. К ним относятся: ЖК индикатор, клавиатура, реле, силовые ключи и блок питания.

ЖКИ-модуль подключается к микроконтроллеру следующим образом. К выводам P0.0 - P0.7 микроконтроллера подключается шина DB0 - DB7 ЖКИ-модуля, а к выводам P1.0, P1.1, P1.2 - линии управляющих сигналов: RS, R/W, Е соответственно.

Клавиатура включает в себя 4 кнопки: SB1 «+», SB2 «-», SB3 «Esc», SB4 «Enter». Кнопки подключаются к выводам P2.0, P2.1, P2.2, P2.3 микроконтроллера соответственно. Срабатывание кнопки происходит по уровню логического нуля.

На выводе P2.5 микроконтроллера генерируются прямоугольные импульсы в течение заданного времени с заданными параметрами длительности. Далее импульсы поступают на транзисторный ключ VT2, который в зависимости от сигнала открывается и закрывается, пропуская тем самым преобразованное напряжение.

К порту Р2.5 микроконтроллера подключается блок питания, который включает в себя фильтр питания, силовой трансформатор. Далее напряжение поступает на выпрямители, которые состоят из диодных мостов V1 и V2-V5 и электрических конденсаторов С1, С2.

К выводу Р2.4 микроконтроллера подсоединено реле. Как и на выводе Р2.5 здесь генерируются прямоугольные импульсы в течение заданного времени с заданными параметрами длительности. Далее импульсы поступают на управляющую часть реле и в зависимости от сигнала управляемая часть реле либо замыкается, либо размыкается. Если на ключ подается логическая 1, то он замыкается и подключенный к нему вентилятор начинает свою работу. Если логический 0, то ключ разомкнут и вентилятор не работает.

Окончание процедуры сопровождается звуковым сигналом из пьезоэлемента B1, который подключен через ключ к выводу P2.6 микроконтроллера.

Электрическая принципиальная схема приведена в приложении.



5 РАЗРАБОТКА КОНЦЕПТУАЛЬНОГО АЛГОРИТМА РАБОТЫ АППАРАТА

При разработке микропроцессорного блока с учетом конструкции прибора в данном курсовом проекте ставится следующая задача: контролировать время работы прибора и устанавливать 5 скоростей работы вентилятора.

Целью разработки концептуального алгоритма является построение наглядной блок-схемы иллюстрирующей в общих чертах работу микропроцессорного блока. Необходимо осуществить ввод с клавиатуры времени работы прибора и режим работы вентилятора, вывод введенной информации на ЖКИ-модуль, запуск прибора, остановка прибора по истечению времени с звуковым сигналом.

Работа микропроцессорного блока начинается с инициализации. Это первый шаг любого алгоритма необходимый для нормальной работы микроконтроллера.

На втором этапе обеспечивается согласованная работа с клавиатурой и ЖКИ-модулем.

При включении питания на ЖК индикаторе появляется надпись «Время».

Далее выводим на ЖКИ-модуль время процедуры, посредством нажатия на клавиатуре кнопок «+» либо «-» (в случае неправильного введения времени можно, нажав кнопку «Esc», вернуться обратно на ввод времени). Введенная величина хранится в регистре Time и SaveTime. В регистре SaveTime хранится значение выбранного времени в минутах. Этот регистр используется для вывода информации на ЖКИ. Регистр Time используется для хранения значения выбранного времени в секундах.

Также необходимо проверить, не превышает ли введенное время максимального времени процедуры (в нашем случае оно не должно превышать 25 минут). Далее посредством нажатия на клавиатуре кнопок «+» либо «-» выбрать режим работы вентилятора. После того как будет введено время, выбран режим работы вентилятора и нажата кнопка «Enter» проверяем не введены ли нулевые значения. Если это так, то необходимо ввести параметры заново. В противном случае с МК поступает сигнал на реле, после чего оно замыкается, сигнал поступает на мотор и прибор начинает свою работу. Каждую секунду из регистра Time будет вычитаться 1 и проверять его на нулевое значение. Если значение Time = 0, то время процедуры закончилось, реле размыкается, издается звуковой сигнал и прибор готов для проведения следующей процедуры.



6 РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОГО АЛГОРИТМА РАБОТЫ АППАРАТА

При подаче питания происходит инициализация микроконтроллера и ЖКИ-модуля. Инициализируется микроконтроллер таким образом: сначала отключаем сторожевой таймер, который был включен по умолчанию. Далее работаем с таймерами 0,1. Затем инициализируем внутренний тактовый генератор с делением системной частоты на 8. Инициализируем прерывания, т.е. разрешаем общие прерывания и прерывания от таймеров. Инициализируем порты. Сначала включаем подтяжки. Далее включаем матрицу Crossbar. И выключаем слаботочную подтяжку. Инициализируем регистры, значения которых нам понадобятся в дальнейшей работе. И наконец, инициализируем ЖКИ - модуль. Устанавливаем матрицу символов 5*7, вывод производиться будет в одну строку, при этом будет выключен курсор в виде подчерка и в виде мерцающего знакоместа. Запрещаем сдвиг окошка дисплея путем установления автоинкрементна.

После инициализации происходит установка параметров процедуры при помощи кнопок «+», «-», «Enter», «Esc». При помощи кнопок «+», «-» устанавливается время процедуры и выбирается режим работы вентилятора. Также после каждого нажатия кнопок необходимо провести гашение дребезга контактов, для этого состояние каждой кнопки циклически записывается в регистр на каждом такте счетчика. Кнопка считается нажатой только когда её регистр становится равным нулю, при этом устанавливается бит кнопки, который и используется в головной программе.

После введения времени процедуры, данное значение хранится в регистрах SaveTime и Time. В регистре SaveTime хранится значение выбранного времени в минутах. Этот регистр используется для вывода информации на ЖКИ. Регистр Time используется для хранения значения выбранного времени в секундах.

Далее необходимо провести проверку введенного параметра на максимально значение (не более 25 минут). После этого должна быть нажата кнопка “Enter” , вследствие чего реле и силовой ключ замыкаются, посредством подачи на них логической 1, затем включается мотор и начинается процедура. Каждую секунду из регистра Time будет вычитаться 1. После начала процедуры делаем проверку: равно ли время процедуры 0? Если нет, то процедура продолжается пока время процедуры не станет равным 0, после чего отключается мотор, размыкается реле с ключом, издается звуковой сигнал и происходит переход на установку параметров процедуры. Если же кнопка «Enter» не нажата, то мы также переходим на установку параметров процедуры.



7 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО БЛОКА

В начале программы устанавливаются все необходимые константы, задаются имена используемых регистров и битов, а также вектора прерываний.

Константы счетчиков рассчитываются из требуемой частоты переполнения и частоты тактирования счетчика. Частота тактирования в свою очередь определяется текущей системной тактовой частотой и коэффициентом деления предварительного делителя. В данной программе системная частота равна 1,5 МГц (во внутреннем генераторе используется деление на 8), предварительный делитель таймеров 0 и 1делит её на 48. Таким образом, частота тактирования таймер-счетчиков 0 и 1 равна 31,25 кГц. Константа для генерации сигнала с частотой 2 Гц будет определяться выражением FFFF-31250/2=C2F6, а константа для генерации сигнала с частотой 100 Гц выражением FFFF-31250/100=FEC6, где FFFF - количество циклов счетчика при отсчете от 0.

Следующим шагом управляющей программы является инициализация микроконтроллера. На этом этапе происходит установка параметров сторожевого таймера, таймер-счетчиков 0 и 1 , внутреннего генератора, прерываний, портов ввода-вывода, а также ЖКИ-модуля.

Вначале необходимо отключить сторожевой таймер(WDT), который включается по умолчанию. После его отключения обнуляется регистр управления ПМС (PCA0MD).

Далее устанавливаются параметры таймеров. Т0 и Т1 устанавливаются в режим 16-разрядного таймер-счетчика. Для таймеров 0 и 1 используется деление SYSCLK на 48. В регистры счетчиков заносятся необходимые константы, после чего запускаются таймер-счетчики 0 и 1.

Для тактирования МК запускается внутренний генератор. Коэффициент деления частоты устанавливается равным 8-ми.

Затем разрешаются общие прерывания, прерывания от таймера 0 и 1.

Устанавливается тип портов ввода-вывода, после чего включается матрица портов ввода-вывода (регистр XBR1).

Далее производится инициализация ЖКИ-модуля. Выдерживаем паузу 16 мс между установлением рабочего напряжения питания (5 В) и выполнением каких-либо операций с контроллером. Вначале выполняется инициализация режимов работы, а именно: 1 строка, 8-разрядная шина, отображение курсора отключено, запрещаем сдвиг окошка.

После инициализации начинается сама программа. Вначале необходимо провести установку нужных параметров с помощью клавиатуры.

Опрос кнопок и обработка дребезга контактов производится с помощью таймера 1. Для каждой кнопки выделен регистр и бит. С периодом 5 мс состояние вывода кнопки записывается в бит C, а регистр кнопки заносится в аккумулятор. Затем производится циклический сдвиг аккумулятора через бит C, и содержимое аккумулятора записывается обратно в регистр кнопки. Следом за этим регистр сравнивается с FF (команда cjne). Если они равны, то кнопка отжата и можно переходить к проверке следующей кнопке. Если же регистр не равен FF, то значит кнопка нажата и дребезг контактов отработан. В этом случае устанавливается бит кнопки, с которым и будет работать головная программа. То же самое делается для каждой кнопки.

Установка параметров начинается с введения времени процедуры. Здесь по нажатию кнопки «+» выполняется команда inc SaveTime, а по нажатию кнопки «-» - команда dec SaveTime. Максимальное Время процедуры 25 минут. На ЖКИ выводится слово «Время». После каждой команды на ЖКИ выводится значение регистра SaveTime. По нажатию кнопки «Esc» происходит возврат на установку времени процедуры.

Так же необходимо перевести значение регистра SaveTime в секунды, и полученный результат занести в регистр Time. Это можно реализовать с помощью следующих команд:

Mov A, SaveTime

Mov B, #3Ch

MUL AB

Mov Tame, A

После того, как установлены все нужные параметры, начинается процедура. Для этого с помощью команды setb мы подаем логическую 1 на транзисторный ключ и реле, после чего реле замыкается и начинает свою работу мотор и запускается генератор импульсов для управления VT2.

Далее следует процедура отсчета времени, как только время процедуры станет равным 0 мы переходим по метке lb_Stop_Procedure. После этого процедура заканчивается, размыкается реле и ключ, перестает работать мотор, издается звуковой сигнал и происходит переход на начало установки параметров.

Код программы приведен в приложении.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте был разработан микропроцессорный блок управления для компрессорного ингалятора. Также были разработаны структурная и функциональная схемы аппарата. По алгоритму работы микропроцессорного блока управления была разработана программа. За основу был взят микроконтроллер фирмы Signal C8051F320. Микроконтроллер воспринимает информацию с клавиатуры, анализирует полученные команды, выполняет их, и выводит их на жидкокристаллический индикатор, обеспечивая тем самым визуальный контроль параметров.

Микропроцессорный блок управления позволил сделать работу с прибором более эффективной и точной. В целом применение микропроцессорного блока управления в приборах данного типа следует считать оптимальным решением.



СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.А.В. Фрунзе « Микроконтроллеры? Это же просто!»  Том 1 - М.: ООО «ИД СКИМЕН», 2012 г.

2.Сташин В. В., Урусов, А.В. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах // Энергоатомиздат. - 1990.

3.Справочник по семейству микроконтроллеров C8051

4.http://izomed.ru/izomed/iz_book_ingalator1

5.http://www.medafarm.ru

6.http://electro-tech.narod.ru

7.http://www.ingalatory.ru

8.http://www.tiensmed.ru/news/ingalatori-wkti/

Размещено на Allbest.ru

...