一、設(shè)計背景及需求分析

臭氧是一種具有強氧化性的氣體，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，如滅菌消毒、促進組織修復(fù)和改善血液循環(huán)等。臭氧治療儀是一種能生成臭氧并控制其濃度與輸出的設(shè)備，可用于治療慢性傷口、皮膚病和緩解疼痛等多種情況。本設(shè)計旨在基于AVR單片機開發(fā)一款便攜式臭氧治療儀，滿足以下需求：

1. 提供可調(diào)節(jié)的臭氧濃度輸出。

2. 包含用戶友好的交互界面，支持顯示和按鍵控制。

3. 實現(xiàn)安全保護功能，包括過溫、過壓檢測和報警。

4. 提供多種工作模式以適應(yīng)不同治療需求。

5. 符合低功耗、輕量化和便攜式設(shè)計要求。

二、硬件設(shè)計

系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)分為以下幾個模塊：臭氧發(fā)生與控制模塊、濃度檢測與反饋模塊、用戶交互模塊（顯示和按鍵）、電源管理模塊和安全保護模塊。AVR單片機作為核心控制器，負責(zé)協(xié)調(diào)各模塊的工作。

主控芯片的選擇與作用

設(shè)計中選用了Atmel公司的AVR系列單片機作為主控芯片。這一系列單片機性能穩(wěn)定，編程靈活，適合嵌入式應(yīng)用場景。具體型號選擇了ATmega328P，其特點如下：

1. 8位RISC架構(gòu)，工作頻率最高可達20 MHz，滿足實時控制需求。

2. 內(nèi)置32 KB Flash存儲器，支持復(fù)雜程序存儲。

3. 1 KB EEPROM和2 KB SRAM，可用于存儲用戶配置和運行時數(shù)據(jù)。

4. 多達23個GPIO端口，用于傳感器輸入、PWM控制、顯示接口和按鍵輸入。

5. 集成10位ADC模塊，用于檢測臭氧濃度和環(huán)境參數(shù)。

6. 具備低功耗模式，支持便攜設(shè)備應(yīng)用。

ATmega328P在設(shè)計中主要用于以下任務(wù)：

1. 控制臭氧發(fā)生器的高壓驅(qū)動模塊，通過PWM調(diào)整臭氧濃度。

2. 讀取傳感器數(shù)據(jù)，包括臭氧濃度、溫度和壓力。

3. 實現(xiàn)用戶交互邏輯，如顯示參數(shù)、接收按鍵輸入并切換工作模式。

4. 處理安全保護機制，包括實時檢測異常并觸發(fā)報警或停機。

5. 提供數(shù)據(jù)通信接口，便于升級和數(shù)據(jù)傳輸。

詳細硬件電路設(shè)計

1. 臭氧發(fā)生與控制模塊
   采用高壓電源驅(qū)動臭氧發(fā)生器，PWM信號用于調(diào)節(jié)臭氧產(chǎn)量。AVR單片機通過定時器模塊輸出PWM信號，調(diào)整驅(qū)動電壓的占空比，從而控制臭氧濃度。

2. 濃度檢測與反饋模塊
   使用臭氧濃度傳感器（如MQ-131）實時監(jiān)測輸出濃度，傳感器輸出的模擬信號通過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，由AVR單片機處理。通過閉環(huán)控制算法，單片機可自動調(diào)整PWM占空比以維持穩(wěn)定的臭氧濃度。

3. 用戶交互模塊
   配備一個128×64點陣OLED顯示屏，采用I2C通信接口與AVR單片機連接，用于顯示實時參數(shù)和工作狀態(tài)。輸入部分包括三個功能按鍵，用于模式選擇、參數(shù)調(diào)整和啟動/停止控制。

4. 電源管理模塊
   使用DC-DC降壓模塊將外部供電（如12V鋰電池）轉(zhuǎn)換為單片機和其他低壓模塊所需的工作電壓（如5V和3.3V）。同時設(shè)計了電池電量檢測電路，提醒用戶及時充電。

5. 安全保護模塊
   集成溫度傳感器（如DS18B20）和壓力傳感器，通過AVR單片機的ADC模塊監(jiān)控設(shè)備運行環(huán)境。當(dāng)檢測到過溫或過壓情況時，單片機觸發(fā)報警并關(guān)閉臭氧發(fā)生器。

三、軟件設(shè)計

軟件架構(gòu)

軟件部分采用模塊化設(shè)計，主要包括初始化模塊、臭氧濃度控制模塊、傳感器讀取模塊、顯示與用戶交互模塊以及報警模塊。

流程設(shè)計

1. 系統(tǒng)上電后，單片機初始化包括時鐘配置、IO口配置、ADC模塊設(shè)置、PWM初始化等。

2. 進入主循環(huán)，定時采集臭氧濃度、溫度和壓力等參數(shù)。

3. 根據(jù)用戶設(shè)定的目標濃度，執(zhí)行閉環(huán)控制算法，調(diào)整PWM占空比以穩(wěn)定輸出。

4. 將參數(shù)實時顯示在OLED屏幕上，并根據(jù)按鍵輸入更新設(shè)置或切換模式。

5. 當(dāng)檢測到異常（如濃度過高或設(shè)備過熱）時，觸發(fā)報警并停止運行。

控制算法

閉環(huán)控制使用比例積分微分（PID）算法，根據(jù)目標濃度與當(dāng)前濃度的誤差，動態(tài)調(diào)整PWM信號占空比，實現(xiàn)精準控制。算法參數(shù)通過實驗調(diào)試優(yōu)化，以確保系統(tǒng)響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。

功能擴展

通過I2C接口，支持與外部設(shè)備（如計算機或智能手機）通信，記錄使用數(shù)據(jù)或遠程控制設(shè)備。固件可通過UART實現(xiàn)在線升級，方便后續(xù)功能擴展。

四、系統(tǒng)調(diào)試與優(yōu)化

1. 硬件調(diào)試
   檢查各模塊的電氣連接與供電是否正常，重點測試高壓模塊的輸出穩(wěn)定性和傳感器的線性響應(yīng)。

2. 軟件調(diào)試
   逐步測試各功能模塊，包括傳感器數(shù)據(jù)采集、PWM輸出和OLED顯示等，確保算法運行無誤。

3. 性能優(yōu)化
   優(yōu)化代碼結(jié)構(gòu)和電路布局，降低系統(tǒng)功耗并提高實時響應(yīng)能力，確保設(shè)備在復(fù)雜治療場景中的穩(wěn)定性。

五、總結(jié)

基于AVR單片機的臭氧治療儀設(shè)計方案具備性能可靠、操作簡單、便攜低功耗等優(yōu)勢。通過合理選擇主控芯片和模塊化設(shè)計，可以滿足醫(yī)療應(yīng)用的需求。未來可進一步集成無線通信功能，實現(xiàn)遠程監(jiān)控與管理，為用戶提供更智能化的治療體驗。