家用治疗仪的开发及应用毕业论文.doc

家用治疗仪的开发及应用毕业论文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AT89C51 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EMC 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AT89C51 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。 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ABSTRACT With the widely use of Electronic information technology , Micro-electronics technology and Automation technology , all kinds of e electronics devices or systems electromagnetic compatibility ( EMC ) become a hot point of worldwide industrial technology . Today 15 information age , the increasing density of radio frequency ( RF ) , high frequency , high -speed , high -sensitive , VLSI are widely used . The electromagnetism environment become more serious , and the contradiction between high power interference sources and low resist -device get to more acuity , because of the high power interference sources appear . People 15 aware of electromagnetic compatibility 15 a big problem in the coming rapidly development of information era. The paper introduces the significance and background of the Therapeutic Appliance, and the trend of modern Ozone technology today and some related technologies. It discusses the design method of Therapeutic Appliance. And we design a control system base on the system function and technique requirement and the platform of AT89C51. Combining with the electromagnetic compatibility theoretic, and standards, we do a research on its electromagnetic compatibility commonness technology. We do anti interference design on hardware and verify them to approve the feasible of system . At the same time , the method which this paper introduces can also apply in the design of Micro control system , Appliance device act . It also can help the manufactory to design, produce and authenticate, and have a worthy application. In summary, the main works in the paper 15 below: 1. it introduces the significance and background of the Therapeutic Appliance, the trend of modern Ozone technology today and some related technologies, also expatiates the objective and signification of the paper, and sum up the paper chief content. The paper discusses the techniques of Therapeutic Appliance targets, its constitution and function. Then, we design the whole project including hardware and software. 3. Combining with the electromagnetic compatibility the ore tics, and standards, we do a research on its electromagnetic compatibility commonness technology, which based on the design of Therapeutic Appliance power system. 4. Combining with the electromagnetic compatibility theoretic knowledge , We do any interference design about Electrostatic Discharge , EFT , Surge on hardware and verify them . Finally, it proving the credibility after half-year aging experiment and tracking test . KEY WORDS: ozone Technology、Electromagnetic Interference、 E Electromagnetic Compatibility、 Electrostatic Discharge,、Electrical Fast Transient, Surge 目录摘要1ABSTRACT2目录3Contents41 . 1 引言51.2 家用臭氧治疗仪的开发背景和意义61 . 3 国内外臭氧技术和电磁兼容技术的应用概况71 . 3 . 1 臭氧介绍71 . 3 . 2 电磁兼容技术101 . 4 本文研究的主要内容及结构安排11第二章治疗仪的系统设计132 . 1 系统要求132 . 1 . 1 治疗仪的系统功能132.1.2 治疗仪的技术指标142 . 2 治疗仪的总体结构设计142 . 2 . 1 AT89C51 简介152.2.2 臭氧发生器的结构和工作原理162.2.3 臭氧发生管的供电电路172 .2 .4 系统电源电路182 . 3 系统的软件设计212 .3 .1 系统程序设计212.3.2 软件抗干扰设计232 . 4 本章小结24第三章电磁兼容性的理论分析与共性设计243 . 1 电磁兼容性设计简介243 .2 电磁兼容设计主要技术253 .2 .1 接地技术253 .2 .2 屏蔽技术273 .2 .3 滤波技术283 . 3 治疗仪的电磁兼容EMC 共性问题303 .3 .1 采用滤波、屏蔽和接地技术的电源电路303 .3 .2 电磁兼容性EMC 的共性问题313 .4 本章小结32第四章 系统抗电磁干扰的对策研究324 . 1 系统的电磁兼容性试验设计324 . 2 家用和类似用途设备的电磁兼容认证标准及检验项目334 . 3 抗扰度测试仪介绍334 . 4 静电设计及其抑制对策344 .4 .1 静电放电模拟器354 .4 .2 静电的处理方法374 . 5 电快速瞬变群脉冲设计及其抑制对策384 .5 .1 电快速瞬变群脉冲发生器394 .5 .2 电快速瞬变群脉冲实验数据分析404 . 6 浪涌发生器干扰设计及其抑制对策444 . 6 . 1 浪涌产生的原因454 . 6 . 2 浪涌发生器454 . 6 . 3 浪涌实验数据分析464. 6. 4抑制浪涌干扰方法494. 7治疗仪的EMC测试结果504. 8本章小结51总结51参考文献52第一章 绪论1 . 1 引言电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility , EMC )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、电子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1。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WTO 国际市场，电磁兼容性己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2。如今EMC 己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EMC 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，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迫在眉睫，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。臭氧作为性能优良的消毒手段，在制药企业GMP 、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。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、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1840 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“OZONE ”即臭氧，从而宣告了臭氧的发现6。臭氧是氧的同素异性体（分子式为O3 ) ，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0 . 01 0 .04ppm ) , 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（RNA ) 或DNA 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7 。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789。 臭氧对细菌芽胞。在臭氧（浓度为5.5mg/ m3 )作用下45 分钟，可将100mL 塑料瓶内滴染的枯草杆菌黑色变种芽胞100 杀灭；在lm ，试验柜内，开启500mg / h 的臭氧发生器60 分钟可对空气中的枯草杆菌黑色变种芽胞杀灭率达99 . 95 。 臭氧对真菌。臭氧浓度为9.6mg / L 时，作用100 分钟后，对杂色曲霉与桃色拟毒霉的杀灭率达100 。在臭氧浓度为12.5mg / L23mg / L 时，作用2035 分钟后，对蜡叶枝抱霉、桔青霉，尖镰抱霉均可达100 灭活率。对于烟曲霉、细交链抱霉、爪哇毛霉等，在臭氧浓度为3 . 8510 . 7mg / L 时作用10 20 分钟灭活率96 . 4 。 臭氧对原虫。比较臭氧、二氧化氯、氯对净化水中的微小隐抱子虫卵囊的灭活作用试验证明，lppm 的臭氧作用5 分钟可以灭活90 的卵囊，1 . 3ppm 的二氧化氯则需作用1小时，80ppm 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1870 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。1868 年，德 格贝斯（De Gebeth )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。1870 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。1873 年，欧洲将臭氧在食糖精制和亚麻漂白方面投入使用。1902 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。1973 年建立的国际臭氧协会（IOA )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10。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、制药厂家己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己深入到多个领域，对人类的生产技术发展做出了重大贡献1112。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8。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1314。图1-1 中Ug 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1-2 所示。图1-2 介质阻挡放电反应器电极结构示意图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，并保持一定的放电间隙，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N2 、CO2 ：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（DBD , Dielectric Barrier Discharge ) 13。DBD 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。电子的碰撞使氧气分子解离，产生氧原子：O2 高能分子分20 低能分子 （1.1 )原子与氧分子结合产生臭氧：02 + O + MO3M 热 （1.2 ) 式中M 是间隙中的任何其它分子；臭氧分子和其它粒子发生碰撞，发生分解反应：Q3 + O = 202 : ( 1.3 ) q + e -1，= 02 + O + e-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EMC ( Electromagnetic compatibility )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（EMI )和电磁敏感性（EMS )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，这成为一个函待解决的问题；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16 。电磁干扰是人们早已发现的古老问题，可上溯至19 世纪。1864 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。1881 年英国著名科学家希维赛德于写了一篇“论干扰”的文章，标志着研究电磁干扰问题的开端17 。1883 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。1887 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。1888 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。1889 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。1934 年英国有关部门对一千例干扰问题进行了分析，发现其中50 是电气设备引起的。20 世纪70 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20 世纪80 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己经从军工产品推广到民用产品。20 世纪90 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。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（1887 年），国际电工委员会（IEC ) ( 1904 年），国际无线电干扰特别委员会（ClSPR）等。国际无线电干扰特别委员会（CISPR )在1934 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。1944 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vDEo878 ，美国在1945 年制定了美国军方最早的电磁兼容性标准JAN I-225 。到目前为止，国际上有权威影响的制标组织有欧洲联盟( EU-European Union )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（CISPR )和第77 技术委员会，国际标准化组织（150 )和国际电信联盟（ITU )。第二次世界大战后，UIR 解散，CISPR 归属于IEC ，但由于还有其他国际组织以观察员的身份参加该组织工作，所以CISPR 是一个有别于其他IEC 技术委员会的特殊成员，CISPR 共有7个技术委员会18 。欧洲共同体委员会在1989 年发布了 电磁兼容EMC 指令（89 / 836 / EEC) “各会员国间电磁兼容产品有关法律的调和17 ”，此后又被两次修改，即92 / 31 / EEC 及93 / 68 / EMC 。该指令1996 年l 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（CE 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20 世纪80 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EMC 认证的基础上，结合中国国情，开展了EMC 的认证工作。1980 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1986 年成立19 。1997 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 工SPR ，工EC77 ，工EC65 国内归口的电磁兼容标准的制修订工作。2000 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EMC 的认证试点工作，2000 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。2000 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l8。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。由于现今世界上己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8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。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1996 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EMC 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。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AT89C51 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EMC 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功能与时间调节功能键 空气消毒 O3 水处理 阴道炎 宫颈炎工作时间 5min 15min 20min 30min气体流量 11.5 L/min臭氧浓度 23g/m32.1.2 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日常消毒功能，其具体技术指标参数的要求如下表2-2 所示。表2-2技术指标参数名称参数名称参数额定电压AC220V10%O3浓度23g/m3工作频率50Hz产量O3产量100mg/h20%额定功率20W气体压力15Kpa20%安全分类类B型气体流量11.5L/min为了实现治疗仪能防氧化，提高其安全稳定性和整体抗干扰能力，治疗仪技术指标还提出如下几点要求：1.臭氧发生电路工作停止后，气泵延时工作5 秒钟，将发生管及气体通路中的臭氧气体全部排出外，防止剩余臭氧腐蚀胶管。2.待机时限保护：3 分钟提示，及15 分钟进入休眠状态。3.工作时限（过温）保护：单次最大工作时间成30 分钟。4.自恢复功能：遇干扰自恢复。2 . 2 治疗仪的总体结构设计治疗仪系统以ATMEL公司的AT89C51处理器为核心，主要由电源电路、臭氧发生器模块、气源流量控制管路和键盘输入、报警显示电路组成。单片机通过继电器输出控制臭氧模块和气泵模块的工作，产生臭氧。系统整体硬件结构设计如图2-1所示。键盘输入电路报警、显示电路电源电路AT89C51单片机臭氧发生模块起源流量控制管路臭氧输出图2-1 家用臭氧治疗仪结构图2 . 2 . 1 AT89C51 简介AT89C51 是ATMEL 公司推出的一种低电压，高性能CMOSS 位微处理器，它一般的应用提供了高性价的微控制器解决方案20。AT89C51 体系结构图如图2-2 所示。内置部件包括：4kB 的程序存储器（ROM )和1 28 bytes 的片内数据存储器（RAM ) , 32 个外部双向l / O 端口，2 个外中断口，2 个16 位可编程定时计数器，2 个全双工串行通信口2 1。AT89C51 采用采用CHMOS 工艺制造，兼容标准MCS-51 指令系统，低功耗（120mW )和全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用。振荡器和时序OSCOSC程序存储器4KB ROM数据存储器 256B RAM/SFR2x16位定时器/计算器8051CPU64KB总线扩展控制器可编程I/O可编程全双工串行口图2-2 8051 单片机结构框图2.2.2 臭氧发生器的结构和工作原理第一台臭氧发生器是在1857年由冯西门子( Wernervon Siemens )研制的，它基本上由两根玻璃管构成，外管外壁和内管内壁均用锡箔覆盖，空气原料气流从环状空间通过，内管和外管的金属表面联接到电源的接线柱。这就是当前大量应用的无声放电臭氧发生器的原型。臭氧发生器是利用氧气、空气经流量计调整后输入到臭氧发生管，被高频高压电离，电离后的氧原子与氧分子结合即形成了臭氧3。整个臭氧发生器系统包括了SCR逆变中频电源、臭氧发生管、控制系统以及相应的空气供气及预处理、臭氧发生管的水冷、油冷等工作系统。臭氧发生器的设计基本要求如下22: 1.发生器应符合技术条件的规定，并按照经规定程序批准的图样和技术文件制造。132.应按GB5083 （生产设备安全卫生设计总则）、电气设计应按GB4064 （电气设备安全设计总则）进行。3.发生器中各电气绝缘部件应符合高电压绝缘性能和结构的要求；处于电晕放电、臭氧氧化环境中的绝缘零部件还应满足使用环境对其物理（机械）和化学性能的要求。4.臭氧发生器各零部件有关形状和位置技术要求应符合GB 1 958 规定。臭氧发生管的结构如图2-3 所示。主要构件包括内电极、介电层、放电间隙、外电极等。根据功率不同，内外电极直径不同，臭氧发生管的长度也不同。根据需要还可以做成双窄间隙，即在介电层两侧各留一个放电气隙。电极型式可做成如图2-3 所示的圆筒状，还可以做成平板状。图2-3 臭氧发生管横截面简图本系统设计中选用臭氧发生管型号为FG-709 （管状中空形），符合国标GB9706 . l-1995 和GB4343 . 2-1999 规定的家用医疗治疗仪的安全性能方面的要求，出气量为300-500mg / h ，工作方式为管状间隙电晕放电，采用空冷冷却方式。该发生管有以下性能特点：内电极管中空，有利于发生管的散热；发生管座采用耐臭氧的特殊材料，可以防止被臭氧氧化；不锈钢管上采用专用焊剂焊接高压放电线，安全高效；发生管基本没有温升，保证了臭氧产量的稳定性。2.2.3 臭氧发生管的供电电路臭氧发生管的供电电源是臭氧发生器装置中重要的组成部分。臭氧发生器按供电电源频率来分有以下三种:工频臭氧发生器、中频臭氧发生器和高频臭氧发生器。早期的臭氧发生器既有使用工频（50-60Hz )交流电源的，也有使用中频（100-I000Hz )或高频（ l000Hz )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1-100kHz 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23。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。电源（交、直流转换）可调变频器（开关逆变）高压升压变压器臭氧发生器图 2-4 高频高压电源原理框图其中，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，MOS 场效应管或大功率IGBT 来实现。现代可控硅和IGBT 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50-l00kHz ，甚至13 . 56MHz 24。本系统设计中选用臭氧发生管电源模块型号为GL-700 ，电源输入为AC220V / 50Hz ，功率为15W ，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25 。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26。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。电网高频开关电源设备图2-5 电源电磁干扰的传输路径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5V 和12V 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50Hz 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。图2-6 利用电源滤波器和压敏电阻钳位瞬态电压干扰在图2-6 中，Ll 和Cl , LZ 和CZ 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EMI 骚扰。Ll 和LZ 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，致使滤波器接入后两只线圈和C3 组成一只L-N 低通滤波器，用来抑制电源上存在的对称差模EMI 骚扰。Ll 和LZ 组成的共模电感，能对共模电流起到抑制作用。通过这样设计的电源滤波器既能抑制共模不对称EMI 骚扰，又能抑制差模对称EMI 骚扰27。电源滤波对付高频传导干扰比较适用，但对雷击浪涌电压干扰起不到保护作用，因此，使用滤波器的同时配合使用压敏电阻等干扰吸收器件。三个压敏电阻R 分别接在L-N 、L-E 、N-E 上能起到防止雷击浪涌对电源电路设备的破坏。一旦浪涌电压超过压敏电阻的压敏电压，压敏电阻便由平时的高阻抗（近似于电阻短开的情况）迅速转变为低阻抗，这样浪涌波就被钳位在压敏电压附近，将浪涌能量旁路掉。但值得注意的是，安全耐压试验的高压必然使压敏电阻产生