一、設計背景及需求分析

臭氧是一種具有強氧化性的氣體，廣泛應用于醫療領域，如滅菌消毒、促進組織修復和改善血液循環等。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。本設計旨在基于AVR單片機開發一款便攜式臭氧治療儀，滿足以下需求：

1. 提供可調節的臭氧濃度輸出。

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不同治療需求。

5. 符合低功耗、輕量化和便攜式設計要求。

二、硬件設計

系統總體架構

系統分為以下幾個模塊：臭氧發生與控制模塊、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，負責協調各模塊的工作。

主控芯片的選擇與作用

設計中選用了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定，編程靈活，適合嵌入式應用場景。具體型號選擇了ATmega328P，其特點如下：

1. 8位RISC架構，工作頻率最高可達20 MHz，滿足實時控制需求。

2. 內置32 KB Flash存儲器，支持復雜程序存儲。

3. 1 KB EEPROM和2 KB SRAM，可用于存儲用戶配置和運行時數據。

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境參數。

6. 具備低功耗模式，支持便攜設備應用。

ATmega328P在設計中主要用于以下任務：

1. 控制臭氧發生器的高壓驅動模塊，通過PWM調整臭氧濃度。

2. 讀取傳感器數據，包括臭氧濃度、溫度和壓力。

3. 實現用戶交互邏輯，如顯示參數、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報警或停機。

5. 提供數據通信接口，便于升級和數據傳輸。

詳細硬件電路設計

1. 臭氧發生與控制模塊
   采用高壓電源驅動臭氧發生器，PWM信號用于調節臭氧產量。AVR單片機通過定時器模塊輸出PWM信號，調整驅動電壓的占空比，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）實時監測輸出濃度，傳感器輸出的模擬信號通過ADC轉換成數字信號，由AVR單片機處理。通過閉環控制算法，單片機可自動調整PWM占空比以維持穩定的臭氧濃度。

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，用于顯示實時參數和工作狀態。輸入部分包括三個功能按鍵，用于模式選擇、參數調整和啟動/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模塊監控設備運行環境。當檢測到過溫或過壓情況時，單片機觸發報警并關閉臭氧發生器。

三、軟件設計

軟件架構

軟件部分采用模塊化設計，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。

流程設計

1. 系統上電后，單片機初始化包括時鐘配置、IO口配置、ADC模塊設置、PWM初始化等。

2. 進入主循環，定時采集臭氧濃度、溫度和壓力等參數。

3. 根據用戶設定的目標濃度，執行閉環控制算法，調整PWM占空比以穩定輸出。

4. 將參數實時顯示在OLED屏幕上，并根據按鍵輸入更新設置或切換模式。

5. 當檢測到異常（如濃度過高或設備過熱）時，觸發報警并停止運行。

控制算法

閉環控制使用比例積分微分（PID）算法，根據目標濃度與當前濃度的誤差，動態調整PWM信號占空比，實現精準控制。算法參數通過實驗調試優化，以確保系統響應速度和穩定性。

功能擴展

通過I2C接口，支持與外部設備（如計算機或智能手機）通信，記錄使用數據或遠程控制設備。固件可通過UART實現在線升級，方便后續功能擴展。

四、系統調試與優化

1. 硬件調試
   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定性和傳感器的線性響應。

2. 軟件調試
   逐步測試各功能模塊，包括傳感器數據采集、PWM輸出和OLED顯示等，確保算法運行無誤。

3. 性能優化
   優化代碼結構和電路布局，降低系統功耗并提高實時響應能力，確保設備在復雜治療場景中的穩定性。

五、總結

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