【文章內(nèi)容簡介】 的范圍之中。B ，防止對人體的危害人體長時間生活在比較強的電磁環(huán)境中，由于電磁能量對人體器官產(chǎn)生化學和物理的作用，將會對人體造成嚴重的傷害，最終將損害人體的健康。人體受電磁污染和造成影響的程度，大致與3 個因素有關(guān)：一是微波的特性，即微波的頻率和強度；二是微波照射的時間長短；三是人體自身采取的防護措施和被侵略的身體部位。因此長期處于高強微波污染環(huán)境工作的人員必須定期檢查，以免得上“職業(yè)病”。，提高安全性由電磁污染造成的災害和事故主要是由靜電放電效應造成的。靜電主要源自物體的摩擦生電，導致大量的電荷積累在物體表面，尤其是在該物體的尖端部位則形成很高的場強而導致很高的電壓放電。這種靜電雖然能量不大，但往往也可對一些儀表儀中的器件造成損傷，甚至對人體造成傷害或引爆燃料和彈藥，從而間接地釀成事故。臭氧治療儀由于自身內(nèi)部有大功率氣泵模塊和工頻高壓臭氧發(fā)生器產(chǎn)生干擾，對單片機控制器運行性能有很大的影響；并且在市電網(wǎng)上存在各種頻率的噪聲干擾，使家用電器供電電源不穩(wěn)定，這些都對治療儀系統(tǒng)整體抗干擾性能產(chǎn)生影響。因此，在完成實現(xiàn)治療儀功能之后，本文重點研究治療儀的電磁兼容性，結(jié)合電磁兼容理論，研究治療儀的電磁兼容性設(shè)計中的共性技術(shù)，提高整個系統(tǒng)的抗干擾能力。論文的結(jié)構(gòu)安排包括如下4 個方面內(nèi)容：第一章緒論，結(jié)合臭氧技術(shù)的發(fā)展歷程、應用領(lǐng)域和發(fā)展前景，綜述臭氧消毒技術(shù)在國內(nèi)外研究與應用情況，介紹了家用臭氧治療儀的開發(fā)背景和意義，闡述了論文研究的目的、意義，并概括性說明本文的主要內(nèi)容。第二章治療儀的系統(tǒng)設(shè)計，首先介紹治療儀的系統(tǒng)功能、技術(shù)指標和各組成電路結(jié)構(gòu)。根據(jù)系統(tǒng)的功能要求提出基于單片機AT89C51 的整體設(shè)計方案并實現(xiàn)設(shè)計。為解決整個系統(tǒng)因外界環(huán)境和自身的內(nèi)部大功率氣泵模塊和臭氧發(fā)生器所產(chǎn)生的電磁騷擾而引起的不能正常工作問題，系統(tǒng)在電源電路和軟件抗干擾兩方面作了優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)過EMC 抗擾度標準試驗實踐證明上述設(shè)計是可行的。第三章電磁兼容性的理論分析與共性設(shè)計，結(jié)合電磁兼容理論，分析典型電磁兼容性問題的解決方法：接地、屏蔽、濾波。以治療儀系統(tǒng)的電源部分為基礎(chǔ)，研究上述方法在系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計中的共性技術(shù)，提高整個系統(tǒng)的抗干擾能力。第四章結(jié)合提高電磁抗干擾能力的理論、技術(shù)方案和措施，圍繞治療儀在靜電放電、電快速瞬變?nèi)好}沖和浪涌電壓這三個方面的抗干擾能力進行論述。經(jīng)過半年的老化實驗和跟蹤測試證明了治療儀的可靠性，治療儀現(xiàn)已投放市場。第二章 治療儀的系統(tǒng)設(shè)計臭氧具有高效、快速、廣譜的殺菌特性，對細菌繁殖體、細菌芽胞、病毒、真菌等致病微生物有極強的殺滅作用，因而可治療各種致病微生物引起的婦科外生殖系統(tǒng)疾?。换钚猿煞挚纱龠M上皮細胞生長和創(chuàng)傷面的愈合，進而達到徹底治療宮頸炎的效果。本章首先給出了治療儀的系統(tǒng)功能和技術(shù)指標參數(shù)，并根據(jù)系統(tǒng)功能要求提出系統(tǒng)設(shè)計總體方案，然后在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)各個環(huán)節(jié)的軟硬件設(shè)計。同時本章還詳細分析了臭氧發(fā)生器的結(jié)構(gòu)、電源電路和工作原理，從系統(tǒng)電源電路設(shè)計方面入手，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。同時，在軟件抗干擾角度也給出了具體措施，進一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2 . 1 系統(tǒng)要求2 . 1 . 1 治療儀的系統(tǒng)功能臭氧治療儀以空氣中的氧為原料，經(jīng)過高壓電離產(chǎn)生符合醫(yī)用標準的臭氧和受激態(tài)活性氧原子、超氧陰離子等滅菌治療物質(zhì)，能有效的起到殺菌消炎和治療的作用。根據(jù)用戶的實際需要，臭氧治療儀主要有四個功能：空氣消毒、臭氧水處理、陰道炎治療以及宮頸炎治療，將四種治療功能一體化可方便婦科病患者在家實現(xiàn)有效的治療。各治療功能與時間調(diào)節(jié)如下表21 所示。表21功能與時間調(diào)節(jié)功能鍵 空氣消毒 O3 水處理 陰道炎 宮頸炎工作時間 5min 15min 20min 30min氣體流量 1~ L/min臭氧濃度 2~3g/m3 治療儀的技術(shù)指標臭氧治療儀主要實現(xiàn)治療宮頸炎、宮頸糜爛及各種陰道炎等婦科疾病和日常消毒功能，其具體技術(shù)指標參數(shù)的要求如下表22 所示。表22技術(shù)指標參數(shù)名稱參數(shù)名稱參數(shù)額定電壓AC220V177。10%O3濃度2~3g/m3工作頻率50Hz產(chǎn)量O3產(chǎn)量100mg/h177。20%額定功率≤20W氣體壓力15Kpa177。20%安全分類Ⅱ類B型氣體流量1~為了實現(xiàn)治療儀能防氧化，提高其安全穩(wěn)定性和整體抗干擾能力，治療儀技術(shù)指標還提出如下幾點要求：，氣泵延時工作5 秒鐘，將發(fā)生管及氣體通路中的臭氧氣體全部排出外，防止剩余臭氧腐蝕膠管。：3 分鐘提示，及15 分鐘進入休眠狀態(tài)。（過溫）保護：單次最大工作時間成30 分鐘。：遇干擾自恢復。2 . 2 治療儀的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計治療儀系統(tǒng)以ATMEL公司的AT89C51處理器為核心，主要由電源電路、臭氧發(fā)生器模塊、氣源流量控制管路和鍵盤輸入、報警顯示電路組成。單片機通過繼電器輸出控制臭氧模塊和氣泵模塊的工作，產(chǎn)生臭氧。系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖21所示。鍵盤輸入電路報警、顯示電路電源電路AT89C51單片機臭氧發(fā)生模塊起源流量控制管路臭氧輸出圖21 家用臭氧治療儀結(jié)構(gòu)圖2 . 2 . 1 AT89C51 簡介AT89C51 是ATMEL 公司推出的一種低電壓，高性能CMOSS 位微處理器，它一般的應用提供了高性價的微控制器解決方案[20]。AT89C51 體系結(jié)構(gòu)圖如圖22 所示。內(nèi)置部件包括：4kB 的程序存儲器（ROM )和1 28 bytes 的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器（RAM ) , 32 個外部雙向l / O 端口，2 個外中斷口，2 個16 位可編程定時／計數(shù)器，2 個全雙工串行通信口[2 1]。AT89C51 采用采用CHMOS 工藝制造，兼容標準MCS51 指令系統(tǒng)，低功耗（120mW )和全靜態(tài)設(shè)計特別適用于對成本和功耗敏感的應用。振蕩器和時序OSC OSC程序存儲器4KB ROM數(shù)據(jù)存儲器 256B RAM/SFR2x16位定時器/計算器8051CPU64KB總線擴展控制器可編程I/O可編程全雙工串行口圖22 8051 單片機結(jié)構(gòu)框圖 臭氧發(fā)生器的結(jié)構(gòu)和工作原理第一臺臭氧發(fā)生器是在1857年由馮西門子( Wernervon Siemens )研制的，它基本上由兩根玻璃管構(gòu)成，外管外壁和內(nèi)管內(nèi)壁均用錫箔覆蓋，空氣原料氣流從環(huán)狀空間通過，內(nèi)管和外管的金屬表面聯(lián)接到電源的接線柱。這就是當前大量應用的無聲放電臭氧發(fā)生器的原型。臭氧發(fā)生器是利用氧氣、空氣經(jīng)流量計調(diào)整后輸入到臭氧發(fā)生管，被高頻高壓電離，電離后的氧原子與氧分子結(jié)合即形成了臭氧]3。整個臭氧發(fā)生器系統(tǒng)包括了SCR逆變中頻電源、臭氧發(fā)生管、控制系統(tǒng)以及相應的空氣供氣及預處理、臭氧發(fā)生管的水冷、油冷等工作系統(tǒng)。臭氧發(fā)生器的設(shè)計基本要求如下[22]: ，并按照經(jīng)規(guī)定程序批準的圖樣和技術(shù)文件制造。[13] （生產(chǎn)設(shè)備安全衛(wèi)生設(shè)計總則）、電氣設(shè)計應按GB4064 （電氣設(shè)備安全設(shè)計總則）進行。；處于電暈放電、臭氧氧化環(huán)境中的絕緣零部件還應滿足使用環(huán)境對其物理（機械）和化學性能的要求。 1 958 規(guī)定。臭氧發(fā)生管的結(jié)構(gòu)如圖23 所示。主要構(gòu)件包括內(nèi)電極、介電層、放電間隙、外電極等。根據(jù)功率不同，內(nèi)外電極直徑不同，臭氧發(fā)生管的長度也不同。根據(jù)需要還可以做成雙窄間隙，即在介電層兩側(cè)各留一個放電氣隙。電極型式可做成如圖23 所示的圓筒狀，還可以做成平板狀。圖23 臭氧發(fā)生管橫截面簡圖本系統(tǒng)設(shè)計中選用臭氧發(fā)生管型號為FG709 （管狀中空形），符合國標GB9706 . l1995 和GB4343 . 21999 規(guī)定的家用醫(yī)療治療儀的安全性能方面的要求，出氣量為300500mg / h ，工作方式為管狀間隙電暈放電，采用空冷冷卻方式。該發(fā)生管有以下性能特點：內(nèi)電極管中空，有利于發(fā)生管的散熱；發(fā)生管座采用耐臭氧的特殊材料，可以防止被臭氧氧化；不銹鋼管上采用專用焊劑焊接高壓放電線，安全高效；發(fā)生管基本沒有溫升，保證了臭氧產(chǎn)量的穩(wěn)定性。 臭氧發(fā)生管的供電電路臭氧發(fā)生管的供電電源是臭氧發(fā)生器裝置中重要的組成部分。臭氧發(fā)生器按供電電源頻率來分有以下三種:工頻臭氧發(fā)生器、中頻臭氧發(fā)生器和高頻臭氧發(fā)生器。早期的臭氧發(fā)生器既有使用工頻（5060Hz )交流電源的，也有使用中頻（100I000Hz )或高頻（ l000Hz )的，人們發(fā)現(xiàn)提高電源的頻率能夠提高臭氧的濃度和生產(chǎn)效率，電源的電壓波形、電流波形以及電源的頻率等對臭氧發(fā)生器效率影響很大。許多新型臭氧發(fā)生及應用裝置都采用高頻電源供電，這些電源的頻率多在1100kHz 之間。人們更進一步地發(fā)現(xiàn)，采用高頻快上升沿的方波或脈沖波形的高壓電源供電比采用正弦波供電情況合成臭氧的效果可能更佳[23]。實現(xiàn)上述變頻裝置的電路設(shè)計方案有很多種，最為常見的方案原理框圖如圖24 所示。電源（交、直流轉(zhuǎn)換）可調(diào)變頻器（開關(guān)逆變）高壓升壓變壓器臭氧發(fā)生器圖 24 高頻高壓電源原理框圖其中，可調(diào)變頻器采用開關(guān)逆變方式實現(xiàn)，其關(guān)鍵電路為大功率開關(guān)電路它可由可控硅，MOS 場效應管或大功率IGBT 來實現(xiàn)?，F(xiàn)代可控硅和IGBT 技術(shù)的發(fā)展給高頻電源的產(chǎn)生帶來了革命，它減小了電源設(shè)備的體積，提高了頻率可調(diào)范圍及工作可靠性，也使得人們對臭氧發(fā)生器電源頻率的研究提高到50l00kHz ，甚至13 . 56MHz [ 24]。本系統(tǒng)設(shè)計中選用臭氧發(fā)生管電源模塊型號為GL700 ，電源輸入為AC220V / 50Hz ，功率為15W ，按供電電源頻率來分屬于工頻。模塊輸入電源經(jīng)過升壓變壓器升至高壓后接臭氧發(fā)生管的兩極處，經(jīng)電暈放電使其產(chǎn)生臭氧。電源模塊使用環(huán)氧樹脂灌封，工作安全可靠。由于系統(tǒng)開發(fā)受成本所限制，而且工頻與中高頻相比較容易實現(xiàn)，所以系統(tǒng)選用工頻的電源模塊。高頻電源能提高臭氧的濃度和生產(chǎn)效率，降低臭氧工藝的投資和運行費用，這些都有待今后進一步研究。2 .2 .4 系統(tǒng)電源電路提高電源線上的抗干擾能力是整體提高電子設(shè)備或系統(tǒng)抗擾度的一個重要方法，這是因為電子設(shè)備（特別是計算機和數(shù)字邏輯控制的設(shè)備）對電源線的干擾和電壓波動十分敏感。為此，在國內(nèi)外的基礎(chǔ)性抗擾度測試的系列標準中，有相當一部分（如電快速瞬變?nèi)好}沖試驗，雷擊浪涌實驗等等）都要求做電源線上的抗干擾試驗。對受試線路來說，它們在基礎(chǔ)性抗擾度試驗中所受到的干擾都是共模干擾[25] 。電磁干擾耦合方式有傳導耦合和輻射耦合兩種方式，解決傳導性耦合干擾問題的主要方法是在電源線、信號線入門處安裝濾波器，阻止干擾進入設(shè)備[26]。電源電磁干擾的傳輸路徑見下圖25 所示。根據(jù)上面介紹的臭氧發(fā)生器的結(jié)構(gòu)和原理可知，由臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的高壓干擾會通過傳導耦合的方式干擾線性電源的穩(wěn)定，這會對單片機和繼電器產(chǎn)生一定干擾，影響整個系統(tǒng)的正常工作。因此，本節(jié)將從提高電源線上的抗干擾能力角度出發(fā)，討論治療儀的電源電路設(shè)計。電網(wǎng)高頻開關(guān)電源設(shè)備圖25 電源電磁干擾的傳輸路徑系統(tǒng)電源電路設(shè)計的質(zhì)量直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，主要討論如下幾個問題：，影響＋5V 和＋12V 直流電源的穩(wěn)定，這對單片機運行性能和兩個直流繼電器產(chǎn)生一定干擾。，通過耦合附加到信號線上，使繼電器引起誤動作，造成控制不準確。 正弦波，而是充滿各種頻率的噪聲，伴隨一些尖峰波，是個不可忽視的干擾源。針對以上所論述的問題和治療儀主要所受到的電磁干擾，并根據(jù)電快速瞬變?nèi)好}沖和雷擊浪涌等高頻干擾信號具有的諧波成分豐富，上限頻率高的性能特點，設(shè)計出治療儀的電源電路如下圖26 所示。圖26 利用電源濾波器和壓敏電阻鉗位瞬態(tài)電壓干擾在圖26 中，Ll 和Cl , LZ 和CZ 分別構(gòu)成LE 和NE 兩對獨立端口間低通濾波器，它們用來抑制電源線上不對稱共模EMI 騷擾。Ll 和LZ 組成了共模扼流圈，它是繞在同一磁環(huán)上兩只獨立磁圈，其磁芯一般采用低損耗、高導磁率、頻率特性好的鐵氧體材料。因所繞圈數(shù)相同，繞向相反，致使濾波器接入后兩只線圈和C3 組成一只LN 低通濾波器，用來抑制電源上存在的對稱差模EMI 騷擾。Ll 和LZ 組成的共模電感，能對共模電流起到抑制作用。通過這樣設(shè)計的電源濾波器既能抑制共模不對稱EMI 騷擾，又能抑制差模對稱EMI 騷擾［27]。電源濾波對付高頻傳導干擾比較適用，但對雷擊浪涌電壓干擾起不到保護作用，因此，使用濾波器的同時配合使用壓敏電阻等干擾吸收器件。三個壓敏電阻R 分別接在LN 、LE 、NE 上能起到防止雷擊浪涌對電源電路設(shè)備的破壞。一旦浪涌電壓超過壓敏電阻的壓敏電壓，壓敏電阻便由平時的高阻抗（近似于電阻短開的情況）迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥杩?，這樣浪涌波就被鉗位在壓敏電壓附近，將浪涌能量旁路掉。但值得注意的是，安全耐壓試驗的高壓必然使壓敏電阻產(chǎn)生動作，造成耐壓試驗通不過的假象[25]。由于電源開關(guān)的一次整流橋是非線性器件，它與后面的儲能電容的組合，使得電流波形呈脈沖狀，是嚴重失真的正弦半波，含有豐富的高次諧波，會形成了一系列連續(xù)、脈動和瞬變干擾。一方面對電網(wǎng)造成嚴重污染，另一方面也使電路的功率因數(shù)下降。為了提高電網(wǎng)供電質(zhì)量和可靠性，提高用電的功率因數(shù)和實現(xiàn)節(jié)能，必須采用有效技術(shù)措施來減少輸入端的諧波分量。在電路設(shè)計中，在整流器和濾波電容之間串聯(lián)一個濾波電感，來擴大輸入電流的導通角度。采用該方法在滿載時的功率因數(shù)一般可達90 ％以上［28］ 。該法的特點是線路簡單，平均無故障時間長，電磁干擾低，但份量重，適用于小功率的場合。2 .2 .5 單片機接口和控制電路本系統(tǒng)采用查詢方式的獨立式按鍵工作電路，按鍵直接與AT89C51 相連。按鍵接口電路如下圖27 所示。本系統(tǒng)按鍵較多，不能采用硬件消抖