一、设计背景及需求分析

臭氧是一种具有强氧化性的气体，广泛应用于医疗领域，如灭菌消毒、促进组织修复和改善血液循环等。臭氧治疗仪是一种能生成臭氧并控制其浓度与输出的设备，可用于治疗慢性伤口、皮肤病和缓解疼痛等多种情况。本设计旨在基于AVR单片机开发一款便携式臭氧治疗仪，满足以下需求：

1. 提供可调节的臭氧浓度输出。

2. 包含用户友好的交互界面，支持显示和按键控制。

3. 实现安全保护功能，包括过温、过压检测和报警。

4. 提供多种工作模式以适应不同治疗需求。

5. 符合低功耗、轻量化和便携式设计要求。

二、硬件设计

系统总体架构

系统分为以下几个模块：臭氧发生与控制模块、浓度检测与反馈模块、用户交互模块（显示和按键）、电源管理模块和安全保护模块。AVR单片机作为核心控制器，负责协调各模块的工作。

主控芯片的选择与作用

设计中选用了Atmel公司的AVR系列单片机作为主控芯片。这一系列单片机性能稳定，编程灵活，适合嵌入式应用场景。具体型号选择了ATmega328P，其特点如下：

1. 8位RISC架构，工作频率最高可达20 MHz，满足实时控制需求。

2. 内置32 KB Flash存储器，支持复杂程序存储。

3. 1 KB EEPROM和2 KB SRAM，可用于存储用户配置和运行时数据。

4. 多达23个GPIO端口，用于传感器输入、PWM控制、显示接口和按键输入。

5. 集成10位ADC模块，用于检测臭氧浓度和环境参数。

6. 具备低功耗模式，支持便携设备应用。

ATmega328P在设计中主要用于以下任务：

1. 控制臭氧发生器的高压驱动模块，通过PWM调整臭氧浓度。

2. 读取传感器数据，包括臭氧浓度、温度和压力。

3. 实现用户交互逻辑，如显示参数、接收按键输入并切换工作模式。

4. 处理安全保护机制，包括实时检测异常并触发报警或停机。

5. 提供数据通信接口，便于升级和数据传输。

详细硬件电路设计

1. 臭氧发生与控制模块
   采用高压电源驱动臭氧发生器，PWM信号用于调节臭氧产量。AVR单片机通过定时器模块输出PWM信号，调整驱动电压的占空比，从而控制臭氧浓度。

2. 浓度检测与反馈模块
   使用臭氧浓度传感器（如MQ-131）实时监测输出浓度，传感器输出的模拟信号通过ADC转换成数字信号，由AVR单片机处理。通过闭环控制算法，单片机可自动调整PWM占空比以维持稳定的臭氧浓度。

3. 用户交互模块
   配备一个128×64点阵OLED显示屏，采用I²C通信接口与AVR单片机连接，用于显示实时参数和工作状态。输入部分包括三个功能按键，用于模式选择、参数调整和启动/停止控制。

4. 电源管理模块
   使用DC-DC降压模块将外部供电（如12V锂电池）转换为单片机和其他低压模块所需的工作电压（如5V和3.3V）。同时设计了电池电量检测电路，提醒用户及时充电。

5. 安全保护模块
   集成温度传感器（如DS18B20）和压力传感器，通过AVR单片机的ADC模块监控设备运行环境。当检测到过温或过压情况时，单片机触发报警并关闭臭氧发生器。

三、软件设计

软件架构

软件部分采用模块化设计，主要包括初始化模块、臭氧浓度控制模块、传感器读取模块、显示与用户交互模块以及报警模块。

流程设计

1. 系统上电后，单片机初始化包括时钟配置、IO口配置、ADC模块设置、PWM初始化等。

2. 进入主循环，定时采集臭氧浓度、温度和压力等参数。

3. 根据用户设定的目标浓度，执行闭环控制算法，调整PWM占空比以稳定输出。

4. 将参数实时显示在OLED屏幕上，并根据按键输入更新设置或切换模式。

5. 当检测到异常（如浓度过高或设备过热）时，触发报警并停止运行。

控制算法

闭环控制使用比例积分微分（PID）算法，根据目标浓度与当前浓度的误差，动态调整PWM信号占空比，实现精准控制。算法参数通过实验调试优化，以确保系统响应速度和稳定性。

功能扩展

通过I²C接口，支持与外部设备（如计算机或智能手机）通信，记录使用数据或远程控制设备。固件可通过UART实现在线升级，方便后续功能扩展。

四、系统调试与优化

1. 硬件调试
   检查各模块的电气连接与供电是否正常，重点测试高压模块的输出稳定性和传感器的线性响应。

2. 软件调试
   逐步测试各功能模块，包括传感器数据采集、PWM输出和OLED显示等，确保算法运行无误。

3. 性能优化
   优化代码结构和电路布局，降低系统功耗并提高实时响应能力，确保设备在复杂治疗场景中的稳定性。

五、总结

基于AVR单片机的臭氧治疗仪设计方案具备性能可靠、操作简单、便携低功耗等优势。通过合理选择主控芯片和模块化设计，可以满足医疗应用的需求。未来可进一步集成无线通信功能，实现远程监控与管理，为用户提供更智能化的治疗体验。