基于LabVIEW的应用实例-模拟温度监测系统

呼吸信号的测量系统
摘要
呼吸信号的检测具有很高的临床使用价值。

人体呼吸的监护检测也是现代医学监护的一个重要组成部分，在运动医学、军事医学以及医学科学研究中，呼吸检测都是一项重要的生理指标。

本文使用温度传感器设计了一个完整的测温系统。

该系统所采用的温度传感器为热敏电阻传感器，放大器为CA3140，微型计算机采用的是8051单片机，系统将温度变换，控制和显示集成于一体，利用软件实现计数和报警功能，采用8051单片机作为系统控制器件。

本文设计的呼吸测量仪的工作原理是：通过呼吸检测系统中的温度传感器采集温度信号：利用信号提取电路提取有效信号：采用信号处理部分将呼吸模拟信号转换数字信号。

第1章绪论
1.1 课题背景和研究意义
1.1.1 呼吸系统研究的选题依据及意义
人体与外界环境进行气体交换的过程，称为呼吸。

通过呼吸，人体不断地从外界环境摄取氧，以氧化体内营养物质，供应能量和维持体温；同时将氧化过程中产生的CO2排出体外，以免C过多扰乱人体机能，从而保证新陈代谢的正常进行。

所以呼吸是人体新陈代谢和功能活动最重要的生理功能之一，一旦呼吸停止，生命也将终止。

呼吸道也是人体健康的门户，收到病毒的侵害后会产生多种疾病。

通过对人体呼吸功能及状况进行检测，就可发现并预防呼吸道、肺部以及心血管等部位的疾病，及时了解病情和发展趋势，对症治疗来保持人体的健康和平衡[1]。

例如，在手术过程中及手术后，呼吸率给麻醉科医生提供关于病人呼吸状况的基本信息；在重症病人镜湖和新生婴儿监护中，呼吸率也起着非常重要的作用；在分析血流速度模式时,也需检测呼吸率[1]。

因此，人体呼吸的监护检测也是现代医学监护的一个重要组成部分，在运动医学、军事医学以及医学科学研究中，呼吸检测都是一项重要的生理指标。

呼吸系统疾病占儿科疾病的第1位，以婴幼儿肺炎死亡率最高。

肺功能对评估病情的严重程度、考核治疗效果有较高的价值。

传统肺功能测试需要受试者做特殊的呼吸动作，而潮气呼吸只需平静呼吸，故适用于不能配合的婴儿。

呼吸间隔可以给我们一些关于肺功能的信息，将是诊断哮喘的有用的方法。

如果间隔时间短而且稳定，说明肺是健康的。

本研究通过研究呼吸间隔，探讨其特点和重要呼吸参数，为临床工作提供医学依据。

检测时新生儿在安静睡眠状态下，无任何不适，保证了测试的准确性和良好的重复性。

1.1.2 国内外研究动态
肺功能检测是呼吸系统疾病诊断中的重要组成部分，目前广泛应用于呼吸内科，胸腹部外科，儿科，妇产科，航空医学，高原医学，职业病评定等
各个领域。

自吴绍青于20世纪50年代将肺功能检测技术在临床应用推广以来，使我国的肺功能检测技术有了很大的提高。

中华医学会呼吸病学会哮喘学组制定的支气管哮喘防治指南和慢性阻塞性肺疾病诊治规范中，肺功能检测和结果判断是诊治疾病判断疗效必不可少的组成部分。

国外先进国家己将肺功能检测视为和心电图、胸部x线等检查同等重要，列为常规的体检项目了。

近10多年来，世界上许多国家和地区哮喘的发病率和病死率均呈上升趋势。

它的表现为咳嗽发热，气喘、气急、鼻翼扇动，呼吸困难，严重的有时会威胁到生命。

过敏或者母亲这边有哮喘病家族史的情况下孩子更容易患哮喘。

因为婴儿肺的功能不如成年人，如果哮喘发生在婴儿身上将会发生严重的危害，其危害程度远大于成年人。

所以，对于婴儿如果有一阶段严重的哮喘将会很快导致肺炎。

目前临床上对于6岁以下患儿哮喘的评估只能依靠临床症状，缺乏客观依据。

在世界上，特别是针对亚洲儿童年龄组，还没有一套科学的、正确的、完整肺功能检测参数的正常值。

作为一个特殊年龄组，目前所选用成人预计值对儿童的偏差很大，不利于正确、合理评价肺功能。

一套适合中国儿童潮气呼吸肺功能正常值指标仍未建立[2]。

1.1.3 研究主要成果和发展状况
呼吸信号的检测具有很高的临床使用价值。

目前国内呼吸监护系统的研究包括对呼吸信号的采集，分析人体的呼吸率、呼吸流量等。

由于人在呼气和吸气过程中，气流经上呼吸道、支气管到肺，在这一过程中，气压的快速变化及器官固体组织的振动将会产生声能，这种声能通过各种组织传输到胸壁，形成呼吸音，显然呼吸音中包含许多与气道结构有关的信息，因此对呼吸音的定量、准确的分拆，有助于了解呼吸音产生机理，并通过对异常呼吸音的分析，确定呼吸机能障碍的类型及位置，诊断疾病。

随着现代数字信号处理技术的发展，国际上对呼吸音的研究逐渐深入，由此形成了一些组织，比如ILSA国际肺音联盟、美国呼吸音协会等，为了研究方便，还提供了一些标准的呼吸音库，比如著名的R.A.L.E.肺部呼吸音库。

目前国际上关于呼吸音研究的进展情况可见下表1-1：
表1-1国外呼吸音研究状况
随着科学技术和医学事业的发展，人们不仅仅满足于对疾病的诊治，更重要的是如何预防疾病、维护和恢复呼吸功能，延年益寿，提高生活质量。

现国内外均设立环境保护法、每年5月31日为世界无烟日，以改善大小生活量。

但这是个开始，呼吸康复医疗的基础理论和技术尚待深入研究，21世纪将是一个呼吸康复医学发展的时代。

第2章系统的硬件电路设计
呼吸系统主要包括以下几个方面的功能：
1 ．呼吸信号的实时采集和处理
2 ．日期，时间的直观显示
3 ．数据的记录，包括报警数据
4 ．计数超限报警
5 ．解除警报
2.1 呼吸系统检测仪设计方案
2.1.1 呼吸系统检测仪工作原理
该系统的基本组成如图2-1所示。

图2-1呼吸系统检测仪基本组成
如图2-1所示，整个电路包括热敏传感器提取呼吸信号，滤波放大，峰谷值检测(提取平均值)，比较放大，可连续触发单稳、计数器、译码、显示这几部分[3]。

系统原理是：通过呼吸检测系统中的温度传感器采集温度信号温度检测的方法，即用热敏电阻作传感器，将热敏传感器用胶带粘在鼻腔或口腔下方，由于简单易用，被检测者没有不舒服的感觉，不影响正常的睡眠而受到重视。

利用信号提取电路提取有效信号然后采用信号处理部分将呼吸模拟信号转换数字信号同时通过软件实现计数和显示功能，如果呼吸暂停大于等于10 秒，则警报器发出警报。

2.2 模拟信号处理电路设计
2.2.1 传感器的选择
温度参数是不能直接测量的，一般只能根据物质的某些特性值与温度之间的函数关系，通过对这些特性参数的测量间接的获得。

温度传感器的基本工作原理正是利用了这一性质。

随着科学技术的发展，现已开发出种类繁多的温度传感器。

常用的温度传感器由P-N 结温度传感器、热敏电阻温度传感器、集成温度传感器、热电阻及热电偶温度传感器等。

其中，P-N结温度传感器有较好的线性度，热时间常数约0.2s~2s，灵敏度高，其测温范围为-50℃~50℃。

这种温度传感器的缺点是，同一型号的二极管或三极管的特性不一致。

集成温度传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器。

集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感部分、放大电路、驱动电路、信号处理电路等集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用工C。

集成温度传感器与热敏电阻等其它温度传感器相比具有灵敏度高、线性度好、响应速度快和良好的线性度和一致性等特点。

同时，具有功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等特点，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。

集成温度传感器的工作温度范围是有限的，通常在550℃~1500℃之间。

它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品D590,AD592,TMP17,LM13等。

热电阻的基本材料有铂、铜和镍，其阻值随温度的升高而增大。

其中铂电阻有很好的稳定性和测量精度，测温范围宽，为-200~600℃，但价格高。

铜电阻测温范围窄，为-50℃~＋150℃。

热电偶测温范围宽，一般为-50℃~
＋1600℃，最高的可达2800℃，并且有较好的测量精度。

另外，热电偶已标准化，系列化，易于选用，可以方便的用计算机做非线性补偿，因此应用很广泛。

热敏电阻是电阻式传感器。

它利用阻值随温度变化的特性来测量温度。

热敏式传感器灵敏度高，响应特性较好，但线性差，适用温度较低的情况。

一般把由金属氧化物陶瓷半导体材料经成型、烧结等工艺制成的测温元件叫做热敏电阻。

热敏电阻的非线性严重，稳定性差，不可用J屯精确测量，主要用于电路温度补偿和保护。

金属的电阻值随着温度的升高而增大，但半导体却相反，它的电阻值随着温度的升高而急剧减小，并呈现非线性。

在温度变化的同时，热敏电阻的阻值变化约为铂热电阻的10倍。

通过测量热敏电阻阻值的变化[4]，便可以得知被测介质的温度变化。

热敏中阻具有体积小、灵敏度高、反应速度快、分辨率高等优点。

典型的热敏电阻的缺点是线性度低、稳定性。

经人的呼吸途径有两个，一个是鼻腔，另一个是口腔。

在呼吸时，口、鼻腔处由于气流流过而使压力和温度发生变化。

因此，人体的呼吸状态可以从检测压力和温度变化得知。

如采用压力法，由于口、鼻腔处的压力变化很微弱，而弱压传感器的灵敏度很高，容易受各种因素的影响，造成误动作，故压力法不宜采用。

温度检测的方法，既用热敏电阻作传感器，将热敏传感器用胶带粘在鼻腔或口腔下方。

由于简单易用，被检测者没有不舒服的感觉，不影响正常的睡眠而受到重视。

比较选用热敏电阻传感器。

2.2.2 信号提取电路
在呼吸时，口鼻腔底部由于气流流过温度发生变化，因此人体的呼吸状态可以从检测温度变化获得，按此原理可选用温度传感实现，按此原理设计呼吸信号提取电路如图2-2所示。

由电源接一个电阻和热敏电阻Rt 串联至地，热敏电阻在常温下(25℃)阻值为1KΩ，热敏电阻为负温度型，灵敏度为0.1 % ，当呼吸温差达8℃时，其阻值变化为△Rt=1000*0.8%=8Ω。

相应电压变化为
△V=Vcc*△Rt/(Rl+Rt) (2-1)因热敏电阻Rt在常温下工作于线性区，这使Rt上电压变化严格随呼吸
VCC
输出
VCC
图2-2提取信号电路图
状态的变化而变化，不会出现非线性失真。

2.2.3 滤波放大电路
由于提取的信号较弱，易受环境温度及其他干扰的影响。

因此必须进行滤波放大，以隔除直流成分，消除环境温度及其他干扰的影响，对有效信号进行放大。

单片机系统中，主要的抗干串模干扰措施是用低通输入滤波器滤除交流干扰，而对直流串模干扰则采用补偿措施。

常用的低通滤波器有RC滤波器，LC 滤波器，双T 滤波器及有源滤波器等。

它们的原理图分别如图2-3(a),(b),(c),(d)所示。

RC滤波器的结构简单，成本低，也不需调整。

但它的串模抑制比不高，一般需2-3级串联使用才能达到规定的NMR指标。

而且时间常数RC较大，RC过大时将影响放大器的动态特性。

LC滤波器的串模抑制比较高，但需要绕制电感，体积大，成本高。

双T滤波器对一固定频率的干扰具有很高的抑制比，偏离该频率后抑制比迅速减小。

主要用来抑制工频干扰，而对高频干扰无能为力，其结构虽然简单，但调整比较麻烦。

有源滤波器可以获得较理想的频率特性。

因此本文的滤波放大电路采用
R
-5V
+5V
图2-3(a)RC 滤波器
图2-3（b ）LC 滤波电路
图2-3(c)双T 滤波电器
C2
图2-3（d ）滤波放大电器（有源滤波器）
有源滤波器。

其中：Rt取下呼吸信号，经标R2、Cl构成的高通隔除直流，同时由C2、R3构成的低通，以实现滤波的目的。

根据放大的需要可适当选择R2、R3。

放大增益Kl=R3／R2。

R2、Cl的选取要保证周期小于10s的呼吸信号均能通过。

运算放大器Al选用具有高输入阻抗，且可由较低的电源供电的CA3140。

提取有效信号：是通过峰谷值检测，然后通过设计电路计算出峰谷值的平均值[5]。

2.2.4 峰值检测电路
峰值检测器是用来检测交流电压峰值的电路，最简单的峰值检测器依据半波整流原理构成电路。

如图2-4所示，交流电源在正半周的一段时间内，通过二极管对电容充电，使电容上的电压逐渐趋近于峰值电压。

所以只要RC足够大，就可以认为其输出的直流电压数值上十分接近于交流电压的峰值。

R 5.1K
图2-4简单的峰值检测电路
这种简单电路的工作过程是，在交流电压的每一周期中，可分为电容充电和放电两个过程。

在交流电压的作用下，在正半周的峰值附近一段时间内，通过二极管对电容C充电，而在其它时段电容C上的电压将对电阻R放电。

当然，当外界交流电压刚接上时，需要经历多个周期，多次充电，才能使输出电压接近峰值。

但是，困难在于二极管是非线性元（钧件，当交流电压较小时，检测得的直流电压往往偏离其峰值较多。

这里的泄放电阻R，是指与C并联的电阻、下一级的输入电阻、二极管的反向漏电阻、以及电容及电路板的漏电等效电阻。

不难想到，放电是不能完全避免的。

同时，适当的放电也是必要的。

特别是当输入电压变小时，通过放电才能使输出电压再次对应于输入电压的峰值。

实际上，检测器的输出电压大小与峰值电压的差别与泄
放电流有关。

仅当泄放电流可不计时，输出电压才可认为是输入电压的峰值。

用于检测仪器中的峰值检测器要求有较高的精度。

检测仪器通常R 值很大，且允许当输入交流电压取去后可有较长的时间检波输出才恢复到零。

可以用较小的电容，从而使峰值电压建立的时间较短[6]。

经改进的峰值检测电路如图2-5所示。

VCC
输出
VCC
图2-5峰值检测电路
经滤波放大的呼吸信号接放大器同相端，当呼吸信号大于电容C3上的电压时，放大器输出高电平，Dl 导通，给C3充电。

当呼吸信号升至峰值并开始下降时，C3充电至峰值电压，此时放大器输出低电平，Dl 截止，C3上保持峰值电压。

为保证该电路不影响前级，且使电容C3能将峰值电压保存适当长的时间，都需要放大器的输入阻抗要高，于是，我们选择了CA3130,它有高的输入阻抗和低输入偏置电流，且能用单电源供电。

2.2.5 谷值检测电路
谷值检测电路如图2-6所示。

该电路结构与峰值检测电路结构相同，放大器也选用CA3130。

当输入电压小于电容C4上电位时，放大器输出低电平，D2导通，C4通过D2放电。

当输入电压下降时，电容就保持放电。

当输入电压Vi 降至谷值并开始上升时，C4就取得谷值电压，此时放大器输出高电平，D2截止，C4保存谷值电压。

VCC
图2-6谷值检测电路
2.2.6 平均值提取电路
从峰谷值输出端接两个严格匹配的R6，R7电阻。

从R6，R7之间提取平均值电压，如图2-7所示。

R6
平均值
图2-7平均值提取电路
为延缓峰值电压经R6、R7向谷值电压存储电容C4充电，R6、R7应选得较大。

该电路中R6=R7=10K
2.2.7 比较放大电路
呼吸电信号十分微弱，在检测呼吸电信号的同时存在强大的干扰，如工频50HZ 和极化电压等干扰。

前者主要是以共模形式存在，幅值可达几伏甚至几十伏，所以呼吸电放大器必须具有很高的共模抑制比。

后者是由于测量
电极与呼吸信号之间构成化学半电池而产生的直流电压，最大可达300mV,因此，呼吸电放大器的前级增益不能过大，或者需要采用超低频的交流放大器。

由于信号源内阻可达几十KΩ，乃至几百KΩ，所以，生物电放大器的输入阻抗必须在几KΩ以上。

综上所述，设计高质量的呼吸电放大器有许多技术困难。

因此，设计高质量的呼吸电放大器一直受到国内外专家和学者重视[7]。

近年来，微电子技术得到迅猛的发展，出现了许多高性能的集成化仪器放大器，如TI公司、ADI公司和Linear公司等生产了很多不同档次的集成化仪器放大器，为设计呼吸电放大器提供了充分的选择。

然而，由于呼吸信号检测的特殊性，直接采用集成化仪器放大器来作为呼吸电放大器，仍然存在许多问题，效果并不能令人满意，其中通用型放大器分为以下几种类型：
1 、高阻阻型
具有高输入电阻的运放称为高阻型运放。

它们的输入级多采用场效应管，适用于测量放大电路、信号发生电路或取样保持电路。

2 、高速型
单位增益带宽和转换速率的运放为高速型运放。

它的种类很多，增益带宽高达几千兆，转换速率大多在几十伏／微秒至几百伏／微秒，有的高达几千伏／微秒，有的高达几千伏／微秒。

适用于模一数转换器、数一模转换器、锁相环电路。

3 、高精度型
高精度型运放具有低失调、低温漂、低噪声、高增益等特点，它的失调电压和失调电流比通用型运放小两个数量级，而开环差模增益和共模抑制比均大于100db适用于对微弱信号的精密测量和运算，常用于高精度的仪器设备中。

4 、低功耗型
低功耗型运放具有静态功耗低、工作电源电压低的特点，它们的功耗只有几毫瓦，甚至更小，电源电伏，而具它方面的性能不比通用型运放差。

适用于能源有严格限制的情况，例如空间技术、军事科学及工业中的遥感遥测等领域[8]。

综上所述，由于设计的需要，本文使用了CA3130放大器，此放大器电路结构简单，成本低廉，不需调试，但性能比较优异。

如图2-8所示。

呼吸模拟信号
V0平均值
图2-8比较放大电路
2.2.8 单稳触发电路
555定时器是一种多用途的数字一模拟混合集成电路，555定时器的电路图如图2-9所示。

利用它能方便在构成施密特触发器，单稳态触发器和多谐振荡器。

由于使用灵活，方便，所以555定时器在波形的产生与变换，测量与控制，家用电器，电子玩具等许多领域中都得到了应用。

本文所采用的触发器就是利用555定时器接成的单稳态触发器。

如图2-9所示。

若以555定时器的VI2端作为角发信号输入端，并将反相器输出电压VI3接至VI1端，同时在VI1对地接入电容C，就构成了如图2-10所示的单稳态触发器。

如果没有触发信号时VI处于高电平，那么稳态时这个电路一定处于Vc1=1，Vc2=1，Q=0，V0=0的状态。

假定接通电源角发器停在Q=0的状态，则导通[9]。

如果接通电源后触发器停在Q=1的状态了，这时Td一定截止，Vcc使经R向C经Td迅速放电，使Vc=0，此后由于Vc1=Vc2=1，触发器保持0
状态不变，输出也相应的稳定在V0=0的状态。

因此通电后电路便自动地停在V0=0的稳态。

V0
图2-9 555定时器的电路图
V1
图2-10 单稳态触发器
当触发脉冲的下降沿到达，使VI2跳变到1/3Vcc以下时，使Vc2=0，
触发器被置为1，V0跳变为高电平，电路进入暂稳态。

与此同时Td截止，Vcc经R开始向电容C充电。

当充至Vc=2/3Vcc时，Vc1变为0。

如果此时输入端的触发脉冲已消失，V1回到了高电平，则触发器被置为0，于是输出返回V0=0的状态。

同时Td又变为导通状态，电容C经Td迅速放电，直至Vc=0，电路恢复到稳态。

输出脉冲的宽度Tw等于暂稳态的持续时间，而暂稳态的持续时间取决于处接电阻R和电容C的大小。

通常R的取值在几百欧姆到几兆欧姆之间，电容的取值范围为几百皮法到几百微法，Tw的范围为几微秒到几分钟。

但必须注意，随头着Tw的宽度增加它的精度和稳定度也将下降。

2.3数字信号处理电路设计
本设计中主要使用的器件有Inter公司推出的8051单片机芯片，可以进行A/D转换的8位ADC0809芯片，2KB×8位静态随机存储芯片6116。

2.3.1 CPU的选择
出于结构紧凑、携带方便等考虑, 适合本设计的微处理器选用Inter公司推出的单片机8051。

该芯片包含8位高性能CPU，4KB的ROM，128K的RAM，两个16位定时器/计数器，32根I/O线（P0—P3四个8位I/O口），一个双全工异步串行口，5个中断源，它可以访问多达64KB程序存储器和64KB数据存储器。

单片机的引脚除了电源，复位，时钟接入，用户I/O口之外，其余引脚都是为了实现系统扩展而设置的。

这些引脚构成了8051单片机片外三总线结构[10]。

2.3.2 A/D转换芯片的选择
本设计采用中断方式。

ADC0809与8051的中断方式接口电路如硬件电路图2-11所示。

ADC0809和8051的INT0管脚连接，当转换结束的时候，EOC向8051发送一个脉冲信号，提出中断申请，单片机响应中断求。

如2-11图所示，单片机电路主要包括8051和ADC0809两块芯片，74LS373用来产生和选择地址。

单片机的ALE端与ADC0809的CLOCK时
钟输入连接。

8051单片机在通常情况下，ALE 端输出信号为晶体震荡频率的1/6,即晶振频率为6MHZ 时，ALE 分频为1MHZ ，可以满足ADC0809的时钟要求。

由于ADC0809具有输出三态锁存器，故其8位数据输出引脚可直接与数据总线相连。

将P2.6作为片选信号时，在启动A/D 转换时，由单片机的写信号-
WR 和P2.6控制ADC 的地址锁存和转换启动。

由于ALE 和START 连在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时也启动转换。

在读取转换结束时，用单片机的读信号-
RD 和P2.6引脚经一级或非门后，产生的正脉冲作为-
OE 信号，用以打开三态输出锁存器。

故ADC0809的IN0~IN7这八个模拟通道寄存器，地址为BFFF8H~BFFFH [11]。

位模拟输入
8⎧
⎪⎨⎪⎩
图2-11ADC0809接口电路图
2.3.3 键盘显示电路
单片机应用系统中，常用的显示器件有LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示器）。

这两种器件都具有成本低，配置灵活，与单片机接口方便的特点。

随着电子技术的飞速发展，近年来，也开始出现有配置简易形式的显示的CRT接口，以方便图形显示。

本文将采用单片机中普遍使用的LED 显示器。

LED 是由发光二极管显示字段的显示器件，也可称为数码管。

在单片机应用系统中通常使用的是7段LED。

这种显示块有共阴极与共阳极两种，本文采用的是共阳极。

共阳极LED 显示块的发光二极管阳极并接（在系统中，接驱动电源）。

当某个发光二极管的阴极为低电平时，发光二极管点亮。

通常的7段中有8个发光二极管，故也称做8 段显示器。

其中7个发光二极管构成7笔字“8”，一个发光二极管构成小数点“.”。

7段发光二极管，再加上一个小数点位，共计8段，因此提供给LED 显示器的字形据正好一个字节。

其对应关系如一下：
LED显示块与间片机接口非常容易，只要将一个8位并行输出口与显示块的发光二极管引脚相连即可。

8位并行输出口输出不同的字数据可显示不同的数字或字符。

通常将控制发光二极管的8位字节数据称为段选码或称字形代码，公共极称为位选线。

共阳极与共阴极的段选码互为补数。

1、LED显示方式
LED显示器有静态显示和动态显示两种显示方式
所谓静态显示，就是当显示器显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定在导通或截止，并且显示器的各位可同时显示。

静态显示时，较小的驱动电流就能得到较高的显示亮度。

动态显示就是一位一位在轮流点亮显示器的各个位，对于显示器的每一。