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【摘 要】为了达到将水等液体高效雾化的目的，本文给出了一种基于AT89S52单片机的超声波雾化器控制系统设计方案。该控制系统通过测量雾化室内液位，控制微型水泵给排水，使雾化室内液位保持相对恒定并处于最高效率工作区间，进而控制雾化头工作。此外，系统还具有雾化头的自我保护、雾化量分级可控功能。实验测试表明，该系统能持续、高效地使液体在最佳液位实现恒液位雾化。
【关键词】雾化器 恒液位 单片机
一、引言
液体雾化的方法有加热雾化、压力雾化、转盘雾化、气体雾化及超声波雾化等。能够实现雾化的装置称为雾化器。其中，超声波雾化器通过陶瓷雾化片的高频谐振，将液态分子结构打散而产生雾状微粒，该过程无需加热或添加其他化学试剂。与普通加热雾化方式相比，超声波雾化可节能90%左右。此外，超声波雾化器具有结构简单、体积重量小、使用方便、成本低廉、节能等优点，在吸入式治疗、成分提取、化学合成、农药喷洒、空气加湿、山水盆景、艺术造型等方面有着广泛的应用。
本文针对需长时间持续高效雾化需求设计了一款恒液位雾化装置。系统采用AT89S52单片机为控制核心，通过周期性测量雾化室内液位，控制微型水泵进水或排水，使雾化室内液位保持相对恒定并处于最高雾化效率工作区间，进而控制雾化头工作，达到持续、高效雾化的目的。
二、控制系统设计
控制系统主要包括电源模块、液位测量模块、水泵给排水控制模块、雾化器启停控制模块、液晶显示模块、风扇启停控制模块六部分。其中单片机、微型泵及液位传感器三部分构成了单闭环控制回路，控制系统的总体框图如图1所示。
图1 控制系统框图
本系统外接24V电源，并使用2个DC/DC降压模块分别降压为5V和12V便于后用。雾化头由24V电源直接供电，液位传感器、AT89S52单片机以及水泵的工作电压均为5V，均接5V输出的DC/DC降压模块KIM-055L（25W额定功率），风扇接12V输出的DC/DC降压芯片7812。本设计采用超声波雾化头，雾化头通过内置的LC振荡产生高频振荡波，再通过功率放大以及升压环节，使陶瓷雾化片产生高频谐振，将接触到雾化片的液态分子结构打散而产生细微的液珠，从而起到雾化作用。为了使产生的雾气尽快散出而不再次被液体所吸收，还应采用风扇对雾化室强制对流。
雾化过程以一定速率消耗液体，液位随之逐渐下降。为了能及时补液以避免低效率雾化甚至无液体情况（会损坏雾化头），必须实时监测液位（液位的测量详见第三部分）。液体的补充及排出使用了微型直流齿轮泵来实现。此外，为了便于监测雾化室内的液位，当前液位测量值及设定的液位区间、雾化头及风扇的工作状态均会在控制板上的液晶屏上进行显示。
三、液位测量及数据处理
液位测量方法或方式有接触式、磁致伸缩型、伺服式、静压式、超声波法、电磁波/微波/雷达法、调制型光学法、光纤传感器法等。其中，超声波液位计以其非接触、低成本、体积小、精度较高等特点被广泛应用。在本设计中，采用了超声波测距模块HC-SR04。该模块测量范围为2-400cm，测距精确度可达3mm。设计中将HC-SR04测距模块的触发端口接单片机的P2.4口，回响端口接P2.5口。当给触发端口至少10us的高电平信号后，模块自动发出8个40KHz的超声波脉冲串，然后检测是否有信号返回。超声波在传播过程中碰到障碍物即发生反射，部分信号原路返回。当HC-SR04测距模块接收到回波信号后，则在回响信号输出端口输出一个高电平，其持续时间等于超声波从发射到返回的时间。当单片机在回响端口检测到高电平后即开始启动计数器计数，直到回响端口的输出变成低电平。计数器的计数值与单片机的计数周期相乘，即为超声波从发射到接收的往返时间t，由此可算得超声波探头到液面间的距离，其中v为声速，通常可取m/s。
四、微型泵给排水控制
在本设计中，液体的补充及排出（给排水）使用了微型直流齿轮泵来实现。为了避免微型泵频繁启停，控制算法中使用了以最佳液位为中值的液位区间。当测量的液位值低于设定的最佳液位区间下限时，单片机控制微型泵给水（正转），直至液位测量值大于或等于最佳液位区间中值，然后使微型泵停转；当测量值高于设定的最佳液位区间上限时，微型泵排水（反转）直至测量液位小于或等于最佳液位区间中值，然后微型泵停转。设计中待雾化的目标液体为水，实验数据表明，其最佳雾化液位区间为[2.5， 4.0]cm。考虑到雾化时液位逐渐下降的因素，实际雾化液位中值修正为3.5cm。微型泵的正反转逻辑是通过2个额定电压为5V的HK4100F继电器JDQ1和JDQ2来实现的，如图2所示。其中继电器的控制线圈（接2、5线端）由三极管Q1和Q2驱动。微型泵的两个接线端口分别连接JDQ1和JDQ2的1端口。单片机用于控制微型泵正反转的两个输出端口P3.0和P3.1分别连接Q1和Q2的基极。当P3.0输出高电平时，Q1导通，JDQ1的常开触点3闭合，常闭触点4断开，公共线端1与3连通，微型泵线端1处获得电压5V；若此时P3.1输出低电平，Q2截止，则JDQ2的公共线端1与常闭触点4连通，微型泵线端2处电压为0，微型泵开始正转。类似地，当Q1截止而Q2导通时，微型泵反转。当Q1和Q2都截止或导通时，微型泵停转。
图2 微型泵给排水控制电路原理图
五、结论
根据上述方案及方法，实现了恒液位雾化器样机。经实验测试，该系统能实现预期的恒液位持续雾化，运行稳定可靠，满足设计要求。
参考文献：
[1] 高祥，蔡乐才.智能医用超声波雾化器的设计[J].四川理工学院学报（自然科学版），2010（8）
[2] 胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京：清华大学出版社， 2010
[3] HC-SR04超声波测距模块说明书， http：//xycsensor.cn.alibaba.com， 2011
【关键词】雾化器 恒液位 单片机
一、引言
液体雾化的方法有加热雾化、压力雾化、转盘雾化、气体雾化及超声波雾化等。能够实现雾化的装置称为雾化器。其中，超声波雾化器通过陶瓷雾化片的高频谐振，将液态分子结构打散而产生雾状微粒，该过程无需加热或添加其他化学试剂。与普通加热雾化方式相比，超声波雾化可节能90%左右。此外，超声波雾化器具有结构简单、体积重量小、使用方便、成本低廉、节能等优点，在吸入式治疗、成分提取、化学合成、农药喷洒、空气加湿、山水盆景、艺术造型等方面有着广泛的应用。
本文针对需长时间持续高效雾化需求设计了一款恒液位雾化装置。系统采用AT89S52单片机为控制核心，通过周期性测量雾化室内液位，控制微型水泵进水或排水，使雾化室内液位保持相对恒定并处于最高雾化效率工作区间，进而控制雾化头工作，达到持续、高效雾化的目的。
二、控制系统设计
控制系统主要包括电源模块、液位测量模块、水泵给排水控制模块、雾化器启停控制模块、液晶显示模块、风扇启停控制模块六部分。其中单片机、微型泵及液位传感器三部分构成了单闭环控制回路，控制系统的总体框图如图1所示。
图1 控制系统框图
本系统外接24V电源，并使用2个DC/DC降压模块分别降压为5V和12V便于后用。雾化头由24V电源直接供电，液位传感器、AT89S52单片机以及水泵的工作电压均为5V，均接5V输出的DC/DC降压模块KIM-055L（25W额定功率），风扇接12V输出的DC/DC降压芯片7812。本设计采用超声波雾化头，雾化头通过内置的LC振荡产生高频振荡波，再通过功率放大以及升压环节，使陶瓷雾化片产生高频谐振，将接触到雾化片的液态分子结构打散而产生细微的液珠，从而起到雾化作用。为了使产生的雾气尽快散出而不再次被液体所吸收，还应采用风扇对雾化室强制对流。
雾化过程以一定速率消耗液体，液位随之逐渐下降。为了能及时补液以避免低效率雾化甚至无液体情况（会损坏雾化头），必须实时监测液位（液位的测量详见第三部分）。液体的补充及排出使用了微型直流齿轮泵来实现。此外，为了便于监测雾化室内的液位，当前液位测量值及设定的液位区间、雾化头及风扇的工作状态均会在控制板上的液晶屏上进行显示。
三、液位测量及数据处理
液位测量方法或方式有接触式、磁致伸缩型、伺服式、静压式、超声波法、电磁波/微波/雷达法、调制型光学法、光纤传感器法等。其中，超声波液位计以其非接触、低成本、体积小、精度较高等特点被广泛应用。在本设计中，采用了超声波测距模块HC-SR04。该模块测量范围为2-400cm，测距精确度可达3mm。设计中将HC-SR04测距模块的触发端口接单片机的P2.4口，回响端口接P2.5口。当给触发端口至少10us的高电平信号后，模块自动发出8个40KHz的超声波脉冲串，然后检测是否有信号返回。超声波在传播过程中碰到障碍物即发生反射，部分信号原路返回。当HC-SR04测距模块接收到回波信号后，则在回响信号输出端口输出一个高电平，其持续时间等于超声波从发射到返回的时间。当单片机在回响端口检测到高电平后即开始启动计数器计数，直到回响端口的输出变成低电平。计数器的计数值与单片机的计数周期相乘，即为超声波从发射到接收的往返时间t，由此可算得超声波探头到液面间的距离，其中v为声速，通常可取m/s。
四、微型泵给排水控制
在本设计中，液体的补充及排出（给排水）使用了微型直流齿轮泵来实现。为了避免微型泵频繁启停，控制算法中使用了以最佳液位为中值的液位区间。当测量的液位值低于设定的最佳液位区间下限时，单片机控制微型泵给水（正转），直至液位测量值大于或等于最佳液位区间中值，然后使微型泵停转；当测量值高于设定的最佳液位区间上限时，微型泵排水（反转）直至测量液位小于或等于最佳液位区间中值，然后微型泵停转。设计中待雾化的目标液体为水，实验数据表明，其最佳雾化液位区间为[2.5， 4.0]cm。考虑到雾化时液位逐渐下降的因素，实际雾化液位中值修正为3.5cm。微型泵的正反转逻辑是通过2个额定电压为5V的HK4100F继电器JDQ1和JDQ2来实现的，如图2所示。其中继电器的控制线圈（接2、5线端）由三极管Q1和Q2驱动。微型泵的两个接线端口分别连接JDQ1和JDQ2的1端口。单片机用于控制微型泵正反转的两个输出端口P3.0和P3.1分别连接Q1和Q2的基极。当P3.0输出高电平时，Q1导通，JDQ1的常开触点3闭合，常闭触点4断开，公共线端1与3连通，微型泵线端1处获得电压5V；若此时P3.1输出低电平，Q2截止，则JDQ2的公共线端1与常闭触点4连通，微型泵线端2处电压为0，微型泵开始正转。类似地，当Q1截止而Q2导通时，微型泵反转。当Q1和Q2都截止或导通时，微型泵停转。
图2 微型泵给排水控制电路原理图
五、结论
根据上述方案及方法，实现了恒液位雾化器样机。经实验测试，该系统能实现预期的恒液位持续雾化，运行稳定可靠，满足设计要求。
参考文献：
[1] 高祥，蔡乐才.智能医用超声波雾化器的设计[J].四川理工学院学报（自然科学版），2010（8）
[2] 胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京：清华大学出版社， 2010
[3] HC-SR04超声波测距模块说明书， http：//xycsensor.cn.alibaba.com， 2011