（检测技术与自动化装置专业论文）家用治疗仪的开发及其电磁兼容性研究.pdf

摘要 摘要 随着电子信息技术、微电子技术、自动化控制技术等的广泛应用， 各种电气、电子装置设备或系统的电磁兼容性成为世界工业技术的热点。 踏入二十一世纪信息时代，无线电射频密度的大量增加，高频、高速、 高灵敏度、超大规模集成电路的广泛应用以及大功率干扰源的不断出现， 致使电磁环境日趋恶劣，电磁干扰污染日益严重，高功率干扰源与低抗 扰度设备器件之间的矛盾日益尖锐，人们已认识到电磁兼容是高速发展 信息社会面临的一个重大问题。 本文首先介绍了家用臭氧治疗仪的开发背景和意义，并简要介绍了治 疗仪所涉及的相关臭氧技术，以及臭氧技术应用发展的现状和趋势。根 据系统的技术指标要求，本文提出基于单片机a t 8 9 c 5 1 的系统设计方案， 然后在此基础上实现各个环节的软硬件设计和抗干扰设计。为了深入研 究治疗仪的电磁兼容性，本文结合电磁兼容理论以及家用电器的电磁兼 容认证标准和检验项目，以治疗仪的电源电路设计为基础，从接地、滤 波和屏蔽三个方面，研究它们在电磁兼容性设计中的共性技术，提高系 统整体抗干扰能力。通过理论分析和结合对治疗仪进行e m c 抗扰度标准试 验的具体实验数据，给出了常用的静电、电快速瞬变群脉冲、浪涌等有 效的抗干扰措施。从实验数据和整体运行效果证明系统设计方案是可行 的。同时，本文介绍的电磁兼容性设计方法同样适用于微机控制系统、 家用电器等的开发和设计，并可以指导生产厂家的电磁兼容设性设计、 生产和认证，具有较大的实用价值和经济价值。 论文的主要工作包括如下4 个方面： 第一章介绍家用臭氧治疗仪的开发背景和意义，当前国内外臭氧消毒 技术和电磁兼容性技术的研究与应用情况，阐述了论文研究的目的、意 义，并概括性说明本文的主要内容。 第二章介绍治疗仪的系统功能、技术指标和各组成模块电路结构。根 据系统的功能要求提出采用单片机a t 8 9 c 5 1 作为主控芯片的设计方案， 并给出其硬件和抗干扰电路的设计方法。同时，从软件抗干扰角度也给 出了具体措施，进一步提高系统的稳定性。 广东下业大学t 学硕士学位论文 第三章结合电磁兼容理论，详细分析典型电磁兼容性问题的基本解决 方法：接地设计、屏蔽设计和滤波设计。以治疗仪系统的电源部分为基 础，研究上述设计方法在系统电磁兼容性设计中的共性技术，提高整个 系统的抗干扰能力。 第四章结合提高电磁抗干扰能力的理论、技术方案和措施，主要围绕 治疗仪在静电放电、电快速瞬变群脉冲和浪涌电压这三个方面的抗干扰 能力进行综合论述。经过半年的老化实验和跟踪测试证明了治疗仪的可 靠性，治疗仪现已投放市场。 关键词：臭氧技术；电磁骚扰；电磁兼容性；静电放电：抗电快速 瞬变群脉冲；浪涌电压 a b s t r a c t w i t ht h e w i d e l y u s eo fe l e c t r o n i ci n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ， m i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya n da u t o m a t i o nt e c h n o l o g y , a l lk i n d so f e l e c t r o n i cd e v i c e so rs y s t e m s e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) b e c o m e ah o tp o i n to fw o r l d w i d ei n d u s t r i a lt e c h n o l o g y t o d a yi si n f o r m a t i o na g e ， t h ei n c r e a s i n gd e n s i t yo fr a d i of r e q u e n c y ( r f ) ，h i g h f r e q u e n c y , h i g h s p e e d ， h i g h - s e n s i t i v e ，v l s ia r ew i d e l yu s e d t h ee l e c t r o m a g n e t i s me n v i r o n m e n t b e c o m em o r es e r i o u s ，a n dt h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nh i g hp o w e r i n t e r f e r e n c es o u r c e sa n dl o w - r e s i s t d e v i c eg e tt om o r ea c u i t y , b e c a u s eo ft h e h i g hp o w e ri n t e r f e r e n c es o u r c e sa p p e a r p e o p l ei sa w a r eo fe l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t yi s ab i gp r o b l e mi nt h ec o m i n gr a p i d l yd e v e l o p m e n to f i n f o r n l a t i o ne r a t h e p a p e r i n t r o d u c e st h es i g n i f i c a n c ea n db a c k g r o u n do ft h e t h e r a p e u t i ca p p l i a n c e ，a n dt h et r e n do fm o d e mo z o n et e c h n o l o g yt o d a y a n ds o m er e l a t e dt e c h n o l o g i e s i td i s c u s s e st h ed e s i g nm e t h o do f t h e r a p e u t i ca p p l i a n c e a n dw ed e s i g nac o n t r o ls y s t e mb a s eo nt h es y s t e m f u n c t i o na n d t e c h n i q u er e q u i r e m e n t a n dt h ep l a t f o r mo fa t 8 9 c 51 c o m b i n i n gw i t ht h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yt h e o r e t i c s ，a n ds t a n d a r d s ， w ed oar e s e a r c ho ni t se l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yc o m m o n n e s s t e c h n o l o g y w ed oa n t i i n t e r f e r e n c ed e s i g no nh a r d w a r ea n dv e r i f yt h e mt o a p p r o v et h ef e a s i b l eo fs y s t e m a tt h es a m et i m e ，t h em e t h o dw h i c ht h i s p a p e ri n t r o d u c e sc a na l s oa p p l yi nt h ed e s i g no fm i c r o c o n t r o ls y s t e m ， a p p l i a n c ed e v i c ee c t i ta l s oc a nh e l pt h em a n u f a c t o r yt od e s i g n ，p r o d u c e a n da u t h e n t i c a t e ，a n dh a v eaw o r t h ya p p l i c a t i o n i ns u m m a r y , t h em a i nw o r k si nt h ep a p e ri sb e l o w ： 1 i ti n t r o d u c e st h es i g n i f i c a n c ea n db a c k g r o u n do ft h et h e r a p e u t i c a p p l i a n c e ，t h et r e n do fm o d e r no z o n et e c h n o l o g yt o d a ya n ds o m er e l a t e d t e c h n o l o g i e s ，a l s oe x p a t i a t e st h eo b j e c t i v ea n ds i g n i f i c a t i o no ft h ep a p e r ， a n ds u mu pt h ep a p e rc h i e fc o n t e n t 1 1 1 2 t h ep a p e rd i s c u s s e st h et e c h n i q u e so ft h e r a p e u t i ca p p l i a n c et a r g 。t 8 ， i t sc o n s t i t u t i o na n df u n c t i o n t h e n ，w ed e s i g nt h ew h o l ep r o j e c ti n c l u d i n g h a r d w a r ea n ds o f t w a r e 3 c o m b i n i n gw i t ht h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y t h e o r e t i c s ，a n d s t a n d a r d s ，w ed o ar e s e a r c h o ni t s e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y c o m m o n n e s st e c h n o l o g y ，w h i c h b a s e do nt h ed e s i g n o ft h e r a p e u t i c a p p l i a n c ep o w e rs y s t e m 4 c o m b i n i n g w i t ht h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y t h e o r e t i c 8 k n o w l e d g e ，w ed oa n t i i n t e r f e r e n c ed e s i g na b o u te l e c t r o s t a t i cd i s c h a g 。， e f t , s u f g eo nh a r d w a r ea n dv e r i f yt h e m f i n a l l y , i tp r o v i n gt h ec r e d i b i l i t y a f t e rh a l f y e a r a g i n g - e x p e r i m e n ta n dt r a c k i n gt e s t k e yw o r d s ： o z o n et e c h n o l o g y , e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，e l e c t r o s t a t i e d i s c h a r g e e l 。t 。i 。4 l f 。t t r a n s i e n t ，s u r g e 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是 我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明，并 表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期问在导师的指导下取 得的，论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关现任，特此 声明。 指导老师签字： 论文作者签字： 2 0 0 7 年5 月6 日 之，尘1即硭 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 电磁兼容性( e i e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，e m c ) 是系统( 设备) 本身一 个重要的指标，是保证系统( 设备) 的工作效能和提高可靠性、稳定性的 重要因素。电磁兼容性关系到电气、电子装置设备在目前日益恶劣的电 磁环境中能否正常工作和是否对与其共处环境下的其它设备构成影响。 更进一步，还要求电气、电予装置设备的电磁骚扰不会对人类和环境产 生影响。各个国家加强了对电磁兼容性的系统性的研究、沟通工作，成 立相关的国际组织【。电磁兼容问题不仅是一个技术问题，同时也是一 个需要世界各国政府进行国际协调合作的社会问题。 随着无线通信技术的普及与应用、电子产品的日益更新，以及数字系 统的工作频率日趋提高，电磁兼容性设计越来越引起有关部门和技术人 员的重视。尤其是我国已经进入w t o 国际市场，电磁兼容性已经成为 我国的电子系统和电子产品进入国际大市场的必备条件之一，因此引起 了有关部门领导的高度重视1 2 1 。如今e m c 已经成为国际贸易中一项重要 的技术指标，在经济上形成了贸易技术壁垒。开展电磁兼容性理论研究， 提高我国家用电子、电器产品e m c 水平，增强国际竞争力，促进家用 电器产品出口有着重要的意义。 时至今日，电磁兼容技术已形成一种产业【3 1 ，并在国民经济中发挥着 重要作用，创造着巨大的经济利益。为增强产品在市场上的竞争能力， 也为使人类在高度享受物质文明和精神文明的同时，仍能确保社会生产 及生活得到安全、健康、持续有效的发展，电磁兼容知识的进一步宣传 普及与电磁兼容新技术的研究开发追在眉睫，它将对提高我国电子系统 和电子产品的技术水平和市场竞争能力，满足各方面的需求，推动科技 进步和经济发展具有深远意义。 1 2 家用臭氧治疗仪的开发背景和意义 从臭氧宣布被发现后，世界各国科学家不断探索其作为强氧化剂、消 广东t 业大学t 学硕十学位论文 毒剂的各种应用以及更有效的制取方法，形成新的“臭氧技术”出现， 它主要包括研究探索臭氧的性质作用、提高臭氧的作用效果以及扩大其 应用的领域；探讨如何提高臭氧的合成效率，降低发生与应用装置的成 本和运行费用，是和环境治理有着密切联系的新的综合性研究领域【4 1 。 臭氧作为性能优良的消毒手段，在制药企业g m p 、医疗卫生场所、 食品加工车间和居民日常生活等许多领域都大规模应用，被称为“绿色 消毒剂”，在卫生部消毒技术规范等国家技术标准中对臭氧杀菌消毒 都有明确的肯定。 臭氧具有强烈的氧化性，所以它对细菌、霉菌、病毒具有强烈的杀灭 性，这种作用通常是物理、化学、生物学方面的综合效果。实验表明， 臭氧对人和动物的致病菌和病毒如金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、乙肝病 毒、沙门式菌等具有很强的杀灭性，即使对化学消毒剂有着较强耐受力 的霉菌也有较强的杀灭性【5 1 。正因为臭氧的强氧化和杀菌能力使其在水 处理、化学氧化、食品加工和医疗卫生等许多领域得到广泛的应用。臭 氧灭菌具有广谱性、高效性、环保性、操作方便、使用经济和性能稳定、 寿命长等特点。因此，本文详细研究臭氧的性能、技术指标和杀菌特点， 借鉴国内外同行的成功的经验成果，开发出家用臭氧治疗仪。 工业发展使全球环境污染日益严重，臭氧技术作为环保产业的一个重 要组成部分，受到越来越多的人的重视，并具有良好的发展前景。随着 臭氧应用技术日趋成熟，相应的应用范围也越来越广泛，各种臭氧家电 产品，如臭氧治疗仪、臭氧洗衣机、果菜灭菌解毒机、除臭器、空气净 化器、消毒柜等不断被推出市场，受到人们的青睐。臭氧产品的家庭化 应用，解除了现代污染对人类健康的损害，提高了人们的生活品质，保 障人类的健康。 臭氧对细菌、病毒等微生物杀灭率高、速度快，对有机化合物等污染 物质去除彻底而又不产生二次污染，与传统消毒方式作投资与运行成本 的分析与比较，结果显示，臭氧技术具有占地面积小，杀菌功能稳定， 不产生有害的副产物的优点，具备显著的社会效益和经济效益。 臭氧作为一种高效的消毒剂在医院环境消毒、术前消毒等方面得到广 泛应用，其杀菌效果优于其它传统杀菌治疗仪。因此研制一种运行稳定、 2 第一章绪论 使用方便、便携的臭氧治疗仪产品，为妇科疾病患者解除去医院看病的 麻烦，而是在家就可以实现方便有效的治疗，这对保护患者个人隐私和 节约时间和金钱等方面都具有实际意义。 1 3 国内外臭氧技术和电磁兼容技术的应用概况 1 3 1 臭氧介绍 1 8 4 0 年，德国科学家舒贝恩在向慕尼黑科学院提交的一项备忘录中 断定：在电解和电火花放电试验过程所产生的特殊气味，是由一种新物 质产生的，他将这种新物质命名为“o z o n e ”即一臭氧，从而宣告了臭 氧的发现( 6 1 。臭氧是氧的同素异性体( 分子式为0 3 ) ，构成形态相异，性 质差异很大，是一种强氧化性的不稳定气体。常态下臭氧是一种淡蓝色 的、有特殊气味的气体，空气中也存在微量臭氧( 含量为o 0 1 - 0 0 4 p p m ) ， 瀑布区、海边、森林区含量最多，空气中这些微量臭氧能有效的抑制自 然界中细菌、霉菌的异常繁殖，从而具有良好的生态环境效应。 臭氧的杀菌作用是生物氧化过程，臭氧的强氧化作用使微生物细胞中 的多种成分产生氧化，从而产生不可逆变的变化而死亡，从而达到消毒、 杀菌功效。一般认为，臭氧在灭病毒上是通过直接破坏其核糖核酸( r n a ) 或d n a 物质完成的，而杀灭细菌、霉菌类微生物则是首先作用于细胞壁， 使膜构成成份受损伤，导致新陈代谢障碍并抑制其生长，之后继续渗透 破坏膜内组织，直至杀死1 7 1 。 人类自发现并使用臭氧以来，一直对臭氧的灭菌性能进行试验，这方 面的试验报告很多，以下从几个方面进行简要综述【7 】【8 】【外。 臭氧对细菌芽胞。在臭氧( 浓度为5 5 m g m 3 ) 作用下4 5 分钟，可 将1 0 0 m l 塑料瓶内滴染的枯草杆菌黑色变种芽胞1 0 0 杀灭；在l m 3 试验 柜内，开启5 0 0 m g h 的臭氧发生器6 0 分钟可对空气中的枯草杆菌黑色变 种芽胞杀灭率达9 9 9 5 。 臭氧对真菌。臭氧浓度为9 6 m g l 时，作用1 0 0 分钟后，对杂色 曲霉与桃色拟毒霉的杀灭率达1 0 0 。在臭氧浓度为1 2 5 m g l 一2 3 m g l 时， 作用2 0 3 5 分钟后，对蜡叶枝孢霉、桔青霉，尖镰孢霉均可达1 0 0 灭活 率。对于烟曲霉、细交链孢霉、爪哇毛霉等，在臭氧浓度为3 8 5 1 0 7 m g l 广东t 业大学t 学硕十学位论文 时作用1 0 - 2 0 分钟灭活率9 6 4 。 臭氧对原虫。比较臭氧、二氧化氯、氯对净化水中的微小隐孢子 虫卵囊的灭活作用试验证明，l p p m 的臭氧作用5 分钟可以灭活9 0 的卵 囊，1 3 p p m 的二氧化氯则需作用1 小时，8 0 p p m 的氯则需作用1 5 小时 才能达到同样效果。 欧洲的科学家最先开始研究臭氧的特性和功能，并应用在工业生产方 面，其中1 8 7 0 年瑞典一家牛肉公司用臭氧对牛肉存储进行保鲜，并一直 沿用至今。 1 8 6 8 年，德格贝斯( d e g e b e t h ) 获得了臭氧应用技术的第一项专利， 用臭氧将煤焦油混合物氧化为适于涂料、油漆使用的产品。 1 8 7 0 年有美国专利是关于用臭氧祛除有害气体和下水道的气味的。 1 8 7 3 年，欧洲将臭氧在食糖精制和亚麻漂白方面投入使用。 1 9 0 2 年，德国帕德博恩建立了第一座用臭氧处理水质的大规模水厂。 随臭氧技术研究的不断深入，在医学领域也有广阔的发展空间。1 9 7 3 年建立的国际臭氧协会( i o a ) 设在加拿大进行学术交流，研究推广臭氧在 医学、食品加工、化工生产等行业的应用技术1 0 】。 我国在臭氧产品开发及臭氧应用方面相对落后，主要是矿泉水、纯 净水等直饮水生产企业、及一些高档住宅小区分质供水系统采用臭氧发 生器进行水处理消毒杀菌。随着人们对臭氧知识的普及和电子技术的发 展，臭氧发生器高效率低成本的广谱杀菌消毒功能已经开始逐渐得到广 泛应用，现在我国部分食品工业、制药厂家已经开始使用臭氧机对生产 线及产品进行高效快速消毒杀菌保鲜处理，同时对生产车间进行严格的 空气消毒；医疗部门也开始将臭氧引用到人体某些疾病的预防和治疗并 取得了一定的成功。我国的企业在借鉴了国外臭氧应用先进技术和经验 基础上，开发出许多臭氧家电产品，如臭氧洗衣机、果菜灭菌解毒机、 除臭器、空气净化器、消毒柜等。 一百多年来臭氧应用已深入到多个领域，对人类的生产技术发展做 出了重大贡献【l l 】【1 2 1 。 目前人工制备臭氧的主要方法主要有：电化学法、光化学法及电晕放 电法等引。其中工业上应用最为广泛的方法是无声放电或称介质阻挡放 4 第一章绪论 电方法，它是采用干燥的含氧气体流过无声放电的放电间隙发生臭氧的 一种方法【1 3 l 【14 1 。图1 - 1 中u g 和i 分别表示了放电时间隙电压和电流波形。 图1 1放电间隙中的电压和电流 f i g l 一1t h ev o l t a g ea n dc u r r e n to fd i s c h a r g es p a c e 依据介质阻挡放电法原理的发生器件方式有平行板式、陶瓷片式、电 真空管式等。平板式按介电体分为玻璃管式、陶瓷表面式；按电极形式 可分为网状电极式和管状电极式。下面以平板式为例，介质阻挡放电反 应器电极结构示意图如图l 一2 所示。 图1 2 介质阻挡放电反应器电极结构示意图 f i g l - 2e l e c t r o d e sc o n f i g u r a t i o no fd b d r e a c t o r 在两平行面板之间加上交变的高压电源，两电极之间放置一层玻璃或 陶瓷等介电体，并保持一定的放电问隙，当交变高压电作用于两极时， 极板间将发生放电现象，此时放电空间流动的氧气在放电作用下受高能 电子激发而获得能量，相互碰撞形成游离的氧原子( 见式1 1 ) ，氧原子再 与氧气反应生成臭氧( 见式1 2 ) ( 参与反应的中间物质，如空气中的n 2 、 c o ：等) 。由于这种方法在两电极间或至少在一个电极表面放入介电体， 因此，这种方法也称为介质阻挡放电( d b d ，d i e l e c t r i cb a r r i e r d i s c h a r g e ) 1 3 】。d b d 放电式臭氧发生器具有结构简单、可维护性好且性 能良好，具备小型化条件，一般小型家用机均采用这种方式。 广东t 业大学t 学硕十学位论文 电子的碰撞使氧气分子解离，产生氧原子： d ，+ 高能分子斗2 0 + 低能分子 原子与氧分子结合产生臭氧： o ，+ o + m o 、+ m + 热 式中m 是间隙中的任何其它分子； ( 1 1 ) ( 1 2 ) 臭氧分子和其它粒子发生碰撞，发生分解反应： q + o = 2 0 2( 1 3 ) d 3 - b e 一= 0 2 + 0 + p - 1( 1 4 ) 以上的方程式仅仅是许多反应中的典型代表，实际上每个过程都包含 了许多个化学变化，真正的反应进程比这几个方程式描述的过程要复杂 得多。 1 3 2 电磁兼容技术 e m c ( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ) 直译为。电磁兼容性”，是指设备 或系统在其电磁环境中，能正常工作且不对该环境中的任何事物构成不 能承受的电磁骚扰的能力，所以它包括两个方面，即电磁干扰( e m i ) 和电 磁敏感性( e m s ) 两部分。电磁兼容是研究在有限的空间、时间和频域资 源等条件下，各种用电设备( 广义的还包括生物体) 可以共存，并不致引 起降级的一门科学1 15 】。随着现代科学技术的高速发展，人们在生产及生 活中使用的电气和电子设备或系统的数量及种类不断增多，使人类所处 的电磁环境日益复杂、恶劣。在这种复杂的电磁环境中，如何减少各种 电子、电气设备或系统之间相互产生电磁骚扰，保证它们能在复杂的电 磁环境下正常工作，提高抗干扰能力和电磁兼容性，这成为一个亟待解 决的问题；另一方面，日益恶劣的电磁环境影响人类健康与生态系统的 平衡从而造成了所谓电磁环境的“污染”。这就促使为了解决这类问题而 出现电磁兼容学和电磁兼容技术的迅速发展1 1 6 】。 电磁干扰是人们早已发现的古老问题，可上溯至1 9 世纪。1 8 6 4 年麦 克斯韦引入位移电流的概念指出变化的电场将激发磁场，并由此预言电 磁波的存在，这种电磁场的相互激发并在空间转播，正是电磁干扰存在 的理论基础。1 8 8 1 年英国著名科学家希维赛德于写了一篇“论干扰”的 6 第一章绪论 文章，标志着研究电磁干扰问题的开端1 7 】。1 8 8 3 年法拉弟发现电磁感应 定律，指出了变化的磁场在导线中产生感应电动势。1 8 8 7 年柏林电气协 会成立全部干扰问题委员会，成员有赫姆霍尔兹和西门子。1 8 8 8 年赫芝 用实验证明了电磁波的存在，证实了麦克斯韦理论，同时该实验也指出 了各种打火系统将向空间发出电磁干扰，从此开始了对干扰问题的实验 研究。1 8 8 9 年英国邮电部门研究了通信中的干扰问题，使干扰问题研究 开始走向产业化和工程化。1 9 3 4 年英国有关部门对一千例干扰问题进行 了分析，发现其中5 0 是电气设备引起的n 5 l 【17 1 。 2 0 世纪7 0 年代，电磁兼容技术已经引起实业界的格外重视，成为了 一个非常活跃的学科领域，在国际上已有定期的较大规模的关于电磁兼 容性讨论的学术会议，各种集电磁兼容性的技术和工艺于一体的设计也 陆续问世。 到2 0 世纪8 0 年代，以美国、德国、日本、法国及俄罗斯等为首的经 济发达国家在研究开发新型的屏蔽材料和新工艺，以及高精度的电磁干 扰及电磁灵敏度自动测试系统等方面的研究及应用达到了很高的水平， 电磁兼容性的设计和管理已经从军工产品推广到民用产品。 2 0 世纪9 0 年代的主要研究内容转为电磁兼容性的预先分析评估、预 先检验和预先测试，即研究和开发电磁兼容性的预测软件及系统，不仅 节省了大量的时间和财力，同时也提高了电磁兼容性的品质【2 1 。 国际上先后成立了国家级和国际间的组织协会从事该项工作，如德 国的电气工程师协会( 1 8 8 7 年) ，国际电工委员会( i e c ) ( 1 9 0 4 年) ，国际无 线电干扰特别委员会( c i s p r ) 等。国际无线电干扰特别委员会( c i s p r ) 在 1 9 3 4 年成立于巴黎，它是第一个颁布无线电干扰协议的国际性组织。 1 9 4 4 年德国电气工程师协会制定了世界上第1 个电磁兼容性的标准 v d e 0 8 7 8 ，美国在1 9 4 5 年制定了美国军方最早的电磁兼容性标准 j a n i 一2 2 5 。到目前为止，国际上有权威影响的制标组织有欧洲联盟 ( e u e u r o p e a nu n i o n ) 的欧共体指令，国际电工委员会，国际无线电干扰 特别委员会( c i s p r ) 和第7 7 技术委员会，国际标准化组织( i s o ) 和国际 电信联盟( i t u ) 。 第二次世界大战后，u i r 解散，c i s p r 归属于i e c ，但由于还有其他 广东1 = 业大学t 学硕十学位论文 国际组织以观察员的身份参加该组织工作，所以c i s p r 是一个有别于其 他i e c 技术委员会的特殊成员，c i s p r 共有7 个技术委员会【1 8 】。 欧洲共同体委员会在1 9 8 9 年发布了电磁兼容e m c 指令( 8 9 8 3 6 e e c ) “各会员国间电磁兼容产品有关法律的调和 u 7 1 ”，此后又被两次修改， 即9 2 3 i e e c 及9 3 6 8 e m c 。该指令1 9 9 6 年1 月起生效，欧洲共同体对 进入欧洲统一市场的电气、电子产品实行了许可证( c e 标记) 制度，开展 了产品电磁兼容性认证。 我国在电磁兼容性方面的研究起步较晚，一直到2 0 世纪8 0 年代才开 始启动。从技术和管理的角度，在综合分析和研究国外e m c 认证的基础 上，结合中国国情，开展了e m c 的认证工作。1 9 8 0 年在原国家标准局的 主持下成立的。全国无线电干扰联合工作组”；经过几年的筹备、协调， “全国无线电干扰标准化技术委员会”于1 9 8 6 年成立【”l 。1 9 9 7 年国家 技术监督局标准化司又主持成立了。电磁兼容标准化联合工作组”，以统 一组织、规划和协调c i s p r ，i e c 7 7 ，i e c 6 5 国内归口的电磁兼容标准的制 修订工作。2 0 0 0 年2 月“中国兼容认证委员会成立”，并发布了电磁 兼容认证管理办法。中国电磁兼容认证委员会是国家质量技术监督局依 法授权的代表国家对电气、电子产品电磁兼容性进行第三方公正评价的 认证机构。由管理委员会主持日常工作，设立认证中心和专家工作组。 同年，认证中心选择了家用电器、计算机、电视机等产品展开了e m c 的认证试点工作，2 0 0 0 年4 月召开了中国电磁兼容认证委员会专家工作 组第一次会议，研究了“电磁兼容认证规则和程序”、“认证产品目录” 等。2 0 0 0 年7 月，中国电磁兼容认证中心，与其签约实验室机械工业电 气器具电磁兼容测试中心在上海举办“电动工具、家用电器、电气照明 设备电磁兼容认证培训”，开展了电磁兼容认证f 1 8 j 。 1 4 本文研究的主要内容及结构安排 研究电磁兼容性的理论和方法，主要是抑制或消除由于广泛应用电磁 现象而造成的不利影响。由于现今世界上已广泛应用电器设备以及大量 无线通信设备，它在给人类带了快乐与便利的同时，也给人类社会的发 展带来很大的损害，人为的电磁污染问题已经成为一大公害，在不仅引 0 第一章绪论 起了国际上科技界的广泛关注，而且引起了政府有关部门的高度重视2 1 。 随着电子技术的发展和生产工艺的提高，各种各样的家用电器层出不 穷，结构也日趋复杂。许多家用电器既是电磁干扰的接受体，又是电磁 干扰的发生体。人们正不断置身与一个复杂的电磁环境中，并随时可能 受到电磁干扰的危害。国家技术监督局与1 9 9 6 年在上海召开了“贯彻实 施家用电器、电动工具的无线电干扰国际讨论会”，强调现阶段要进一 步加强宣传贯彻e m c 强制性国家标准，特别是家用电器、电动工具、信 息技术设备等行业要尽快开展这项工作。 研究电磁兼容性的理论和工程实践主要有下述几个方面的重要意义 【2 】： a 提高电子产品和设备的可靠性 电磁兼容性在一个设备的可靠性中占有非常重要的位置。无论是系统 和产品的电磁兼容性还是可靠性问题，都必须在该系统和产品的设计阶 段就予以重视，并作为该系统和产品设计的一项重要指标来考虑，而且 应始终贯彻在其研制、生产、试验、使用和维护的全过程中。只有这样， 才能保证整个系统和产品的真正可靠，并且所付出的时间和财力的成本 才能控制在预定的范围之中。 b 防止对人体的危害 人体长时间生活在比较强的电磁环境中，由于电磁能量对人体器官产 生化学和物理的作用，将会对人体造成严重的伤害，最终将损害人体的 健康。人体受电磁污染和造成影响的程度，大致与3 个因素有关：一是 微波的特性，即微波的频率和强度；二是微波照射的时间长短；三是人 体自身采取的防护措施和被侵略的身体部位。因此长期处于高强微波污 染环境工作的人员必须定期检查，以免得上“职业病”。 c 防止灾害和事故，提高安全性 由电磁污染造成的灾害和事故主要是由静电放电效应造成的。静电主 要源自物体的摩擦生电，导致大量的电荷积累在物体表面，尤其是在该 物体的尖端部位则形成很高的场强而导致很高的电压放电。这种静电虽 然能量不大，但往往也可对一些仪表仪中的器件造成损伤，甚至对人体 造成伤害或引爆燃料和弹药，从而间接地酿成事故。 9 广东t 业大学t 学硕十学位论文 臭氧治疗仪由于自身内部有大功率气泵模块和工频高压臭氧发生器 产生干扰，对单片机控制器运行性能有很大的影响；并且在市电网上存 在各种频率的噪声干扰，使家用电器供电电源不稳定，这些都对治疗仪 系统整体抗干扰性能产生影响。因此，在完成实现治疗仪功能之后，本 文重点研究治疗仪的电磁兼容性，结合电磁兼容理论，研究治疗仪的电 磁兼容性设计中的共性技术，提高整个系统的抗干扰能力。 论文的结构安排包括如下4 个方面内容： 第一章绪论，结合臭氧技术的发展历程、应用领域和发展前景，综述 臭氧消毒技术在国内外研究与应用情况，介绍了家用臭氧治疗仪的开发 背景和意义，阐述了论文研究的目的、意义，并概括性说明本文的主要 内容。 第二章治疗仪的系统设计，首先介绍治疗仪的系统功能、技术指标和 各组成电路结构。根据系统的功能要求提出基于单片机a t 8 9 c 5 1 的整体 设计方案并实现设计。为解决整个系统因外界环境和自身的内部大功率 气泵模块和臭氧发生器所产生的电磁骚扰而引起的不能正常工作问题， 系统在电源电路和软件抗干扰两方面作了优化设计，经过e m c 抗扰度 标准试验实践证明上述设计是可行的。 第三章电磁兼容性的理论分析与共性设计，结合电磁兼容理论，分析 典型电磁兼容性问题的解决方法：接地、屏蔽、滤波。以治疗仪系统的 电源部分为基础，研究上述方法在系统电磁兼容性设计中的共性技术， 提高整个系统的抗干扰能力。 第四章结合提高电磁抗干扰能力的理论、技术方案和措施，围绕治疗 仪在静电放电、电快速瞬变群脉冲和浪涌电压这三个方面的抗干扰能力 进行论述。经过半年的老化实验和跟踪测试证明了治疗仪的可靠性，治 疗仪现已投放市场。 第二章治疗仪的系统设计 第二章治疗仪的系统设计 臭氧具有高效、快速、广谱的杀菌特性，对细菌繁殖体、细菌芽胞、 病毒、真菌等致病微生物有极强的杀灭作用，因而可治疗各种致病微生 物引起的妇科外生殖系统疾病；活性成分可促进上皮细胞生长和创伤面 的愈合，进而达到彻底治疗宫颈炎的效果。 本章首先给出了治疗仪的系统功能和技术指标参数，并根据系统功能 要求提出系统设计总体方案，然后在此基础上实现各个环节的软硬件设 计。同时本章还详细分析了臭氧发生器的结构、电源电路和工作原理， 从系统电源电路设计方面入手，提高系统的抗干扰能力。同时。在软件 抗干扰角度也给出了具体措施，进一步提高系统的稳定性。 2 1 系统要求 2 1 1 治疗仪的系统功能 臭氧治疗仪以空气中的氧为原料，经过高压电离产生符合医用标准的 臭氧和受激态活性氧原子、超氧阴离子等灭菌治疗物质，能有效的起到 杀菌消炎和治疗的作用。根据用户的实际需要，臭氧治疗仪主要有四个 功能：空气消毒、臭氧水处理、阴道炎治疗以及宫颈炎治疗，将四种治 疗功能一体化可方便妇科病患者在家实现有效的治疗。各治疗功能与时 间调节如下表2 1 所示。 表2 1 功能与时间调节 t a b l e2 一lf u n c t i o na n dt i m ead i u s t 功能键空气消毒0 3 水处理阴道炎宫颈炎 工作时间 5 r a i n1 5 m i n2 0 m i n3 0 m i n 气体流量i - i 5 l m i n 县氢这廑 2 = g 坐： 2 1 2 治疗仪的技术指标 臭氧治疗仪主要实现治疗宫颈炎、宫颈糜烂及各种阴道炎等妇科疾病 和曰常消毒功能，其具体技术指标参数的要求如下表2 2 所示。 i l 广东t 业大学t 学硕士学位论文 表2 2 技术指标参数 t a b l e2 - 2t e c h n i q u ei n d e xp a r a m e t e r 名趁 叁数名整叁数 额定电压a c2 2 0 v + 1 0 o ，浓度 2 3 9 m 3 工作频率5 0 h z o ，产量 1 0 0 m g h ：t ：2 5 额定功率 1 0 0 0 h z ) 的，人们发现提高电 源的频率能够提高臭氧的浓度和生产效率，电源的电压波形、电流波形 以及电源的频率等对臭氧发生器效率影响很大。许多新型臭氧发生及应 用装置都采用高频电源供电，这些电源的频率多在1 - 1 0 0 k h z 之间。人们 更进一步地发现，采用高频快上升沿的方波或脉冲波形的高压电源供电 比采用正弦波供电情况合成臭氧的效果可能更佳2 3 1 。实现上述变频装置 的电路设计方案有很多种，最为常见的方案原理框图如图2 - 4 所示。 网ii-叫网i-，11 b1i 圆圈 i电灏ii 可调变颇器il 嘉压升压i j臭氯i l h- i ( 棼直流转换) ll ( 开关逆麴ll 变燕器 li 发生器 i _ _ _ _ _ _ _ _ 一_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ 一 图2 - 4 高频高压电源原理框图 f i 9 2 4b l o c kd i a g r a mo fh i g hf r e q u e n c ya n dv o l t a g ep o w e r 其中，可调变频器采用开关逆变方式实现，其关键电路为大功率开关 电路它可由可控硅，m o s 场效应管或大功率i g b t 来实现。现代可控 硅和i g b t 技术的发展给高频电源的产生带来了革命，它减小了电源设 备的体积，提高了频率可调范围及工作可靠性，也使得人们对臭氧发生 器电源频率的研究提高到5 0 1 0 0 k h z ，甚至1 3 5 6 m h z l z “。 本系统设计中选用臭氧发生管电源模块型号为g l 7 0 0 ，电源输入为 a c 2 2 0 v 5 0 h z ，功率为1 5 w ，按供电电源频率来分属于工频。模块输入 电源经过升压变压器升至高压后接臭氧发生管的两极处，经电晕放电使 其产生臭氧。电源模块使用环氧树脂灌封，工作安全可靠。由于系统开 发受成本所限制，而且工频与中高频相比较容易实现，所以系统选用工 频的电源模块。高频电源能提高臭氧的浓度和生产效率，降低臭氧工艺 的投资和运行费用，这些都有待今后进一步研究。 2 2 4 系统电源电路 提高电源线上的抗干扰能力是整体提高电子设备或系统抗扰度的一 广东t 业大学t 学硕十学位论文 个重要方法，这是因为电子设备( 特别是计算机和数字逻辑控制的设备) 对电源线的干扰和电压波动十分敏感。为此，在国内外的基础性抗扰度 测试的系列标准中，有相当一部分( 如电快速瞬变群脉冲试验，雷击浪涌 实验等等) 都要求做电源线上的抗干扰试验。对受试线路来说，它们在基 础性抗扰度试验中所受到的干扰都是共模干扰1 2 ”。 电磁干扰耦合方式有传导耦合和辐射耦合两种方式，解决传导性耦合 干扰问题的主要方法是在电源线、信号线入门处安装滤波器，阻止干扰 进入设备【2 6 1 。电源电磁干扰的传输路径见下图2 5 所示。根据上面介绍 的臭氧发生器的结构和原理可知，由臭氧发生器产生的高压干扰会通过 传导耦合的方式干扰线性电源的稳定，这会对单片机和继电器产生一定 干扰，影响整个系统的正常工作。因此，本节将从提高电源线上的抗干 扰能力角度出发，讨论治疗仪的电源电路设计。 图2 - 5 电源电磁干扰的传输路径 f i 9 2 5t h ew a yo fe m it r a n s m i s s i o n 系统电源电路设计的质量直接关系到整个系统的工作稳定性，主要讨 论如下几个问题： 1 臭氧发生器的高压干扰会通过传导耦合的方式干扰线性电源的 稳定，影响+ s v 和+ 1 2 v 直流电源的稳定，这对单片机运行性能和两个直 流继电器产生一定干扰。 2 空间存在的电磁波及工作环境下的各种干扰会加入到电源输入 端，通过耦合附加到信号线上，使继电器引起误动作，造成控制不准确。 3 另外市电电源并非是理想的5 0 h z 正弦波，而是充满各种频率的 噪声，伴随一些尖峰波，是个不可忽视的干扰源。 针对以上所论述的问题和治疗仪主要所受到的电磁干扰，并根据电快 速瞬变群脉冲和雷击浪涌等高频干扰信号具有的谐波成分丰富，上限频 率高的性能特点，设计出治疗仪的电源电路如下图2 - 6 所示。 1 6 第二章治疗仪的系统设计 图2 - 6 利用电源滤波器和压敏电阻钳位瞬态电压干扰 f i 9 2 6c o n t r o lt h ei n t e r f e r eo fv o l t a g eb yt h ee m i f i l t e ra n dr e s i s t a n c e 在图2 6 中，l 1 和c 1 ，l 2 和c 2 分别构成l e 和n e 两对独立端口 间低通滤波器，它们用来抑制电源线上不对称共模e m i 骚扰。l l 和l 2 组成了共模扼流圈，它是绕在同一磁环上两只独立磁圈，其磁芯一般采 用低损耗，高导磁率、频率特性好的铁氧体材料。因所绕圈数相同，绕 向相反，致