基于单片机的呼吸量和呼吸频率智能测定 (优选.)

1 引言呼吸是维持机体新陈代谢和功能活动所必需的基本生理过程之一,一旦呼吸停止,生命也将终止。

同时也是麻醉管理、术后监测的重要生理依据，呼吸功能的监测已广泛应用于临床各科并发挥了重要的作用，成为不可缺少的手段，麻醉期间病人的呼吸功能常受到不同原因和不同程度的干扰。

呼吸功能的改变可波及循环功能，严重的呼吸系统意外和并发症可以危及病人的生命。

因此维持正常的呼吸功能，预防和正确的处理呼吸系统的意外和并发症是保证麻醉平稳、病人安全的关键，因此，无良好的呼吸监测仪监测呼吸功能，则无法提供正常的通气功能和换气功能，预防和治疗低养和预防二氧化碳积蓄。

本设计课题就是开发一种呼吸检测系统来提高麻醉质量，保障呼吸通道通畅，及时发现呼吸道异常情况，降低呼吸道并发症的发生，降低临床医生和护士的工作强度，并可提高医疗水平和病人安全，减少医疗事故的发生。

在以往应用的监测系统中一种是利用传感器与计算机相连，使的设备过于笨重且成本较高，应用不方便。

一种是温感式，通过检测人呼吸气流引起鼻腔内周边温度变化,能快速、方便、不失真的记录下受检者当时(20s～25s)呼吸波,然后通过合理的截取、采样、A/D转换,送入微电脑进行处理,并实时显示出呼吸波形、流速-容量曲线、呼吸气流速率、频率、峰值以及潮气量等多项肺功能参数。

在设计原理上利用了人的呼吸特点, 呼吸实质上是人体内外环境之间气体的交换,正常人的呼吸是由呼吸中枢支配呼吸肌有节奏地张弛、造成肺内压和大气压之间的压力差,此压力差在克服了肺通气阻力之后,方能实现气体交换。

根据医学生理学原理,在肺通气阻力一定时,推动气体流动的压力(大气压与肺内压力差)越大,单位时间内气体流量就越大,当气道管径一定时,气体流速也就越大,反之亦然。

而此气体通过鼻腔,与外界气体进行交换时,必然会引起鼻腔内温度的变化。

实验证明:在气道管径不变的条件下,温度的变化量(△T)与气体流速的变化量(△V)线性相关,因此只采用灵敏度高、温度线性好、时间常数较小的热敏传感器,就能把微弱的呼吸信息检测出来,再经过放大、滤波、A/D转换、微电脑分析处理,就能自动地、实时地显示呼吸波形、流速-容量曲线、呼吸气流速率、频率、峰值以及潮气量等多项肺功能参数。

另一种是阻抗式呼吸监测系统。

人体胸部相当于一段导体，其阻抗包括电阻感抗和容抗。

但感抗作用很小，一般忽略不计，而容抗在50kHs—l00kHz的高频电流作用下，对实际测量结果的影响也很小，所以胸阻抗基本是电阻的变化。

吸气时，肪内气体增多。

阻抗值变大；呼气时，肪内气体减少，阻抗值也随之变小。

当给胸部通以恒定高频电流时，就可以通过检测电阻的变化来监测呼吸运动。

此方法手人体运动的干扰较大，同时也受到个体差异的影响，所以在设计和测量上还有一些问题。

本设计是利用检测病人呼吸气流的方法来来达到对病人呼吸的监测。

传感器把呼吸气流转变为电信号，通过条理电路来对信号进行整形处理，通过单片机来对信号处理来达到对呼吸量、频率的检测和显示，并且通过能够达到对呼吸量呼吸频率的判断是否超出了正常范围，如果数值异常通过发光二极管和蜂鸣器来发出报警信号来提醒护士对紧急情况进行处理。

此设备具有现存呼吸机监测仪不可比拟的优点，它体积小、成本低，显示是直观，不受个体的差异的影响。

本机在实际测试中能够达到所需设计的要求。

2整机设计方案概述本设计需要对呼吸量和呼吸频率进行测定，有两个方案可以选择。

一种是由硬件来实现呼吸量和呼吸次数两个信号，然后分别输入到单片机进行处理。

另一方案是把由硬件产生呼吸量信号，输入单片机后再由软件来实现呼吸次数的判断和计数。

由于第一种方案由硬件来实现会使得整机设计成本高，受电路影响带来信号的不稳定以及制作工艺繁复等许多缺点，所以本机选择了第二种方案。

此方案设计由信号采集、信号整形、信号处理、显示、报警五部分组成。

信号的采集是由传感器来实现的，在该设计中利用光电对管来实现对信号的采集。

在气流通过一个叶轮时会带动叶轮转动，通过叶轮对光线的遮挡使光接收管部分产生一串脉冲作为采集的信号。

此装置要保证叶轮能够流畅的转动，并且发光二极管的位置要确定好，保证在叶轮的转动过程中使光线能够交替的被遮挡和透过。

信号整形部分是把传感器采集来的不规则信号来处理为能够被单片机检测的标准脉冲信号，从而使单片机能够对信号准确稳定的处理，此环节是非常重要的一环，关系到单片机对信号处理的准确性。

信号处理部分由AT89C51单片机来实现，它负责把整形规则的信号进行智能处理判断。

信号通过INT0引脚输入单片机，在程序中能够对引脚输入的脉冲进行中断处理，对输入的脉冲个数来进行计数。

在呼吸量大时叶轮的所转的周期多产生的脉冲个数也会随之增多，从而脉冲的个数能够定性的反映出呼吸量的大小。

在对呼吸次数的判断上有同样采用单片机软件来实现，在呼气时脉冲是连续的，根据判断脉冲宽度来判断是否一次呼吸已经完成。

本机还需要对呼吸频率来进行显示，所以在每半分钟的时候会对呼吸次数进行一次取值并且显示出来。

单片机还要实现对呼吸量和呼吸频率的显示功能。

在对呼吸量和呼吸频率的采集过程中要对其数值进行判断，如果在所设定范围内则正常显示并且等待下次信号的采集，如果超出了范围就会发出报警信号，在设计过程中还设定了一个手动复位键，在报警时能够人为的撤消。

显示部分有六个共阴极的数码管组成，能够对单片机发送的信号通过驱动电路进行显示。

报警部分由LED和蜂鸣器组成，信号由单片机P3口输出，三个LED分别显示呼吸量太小报警、呼吸频率过高报警、呼吸频率太低报警，使护士对病人的情况一目了然。

蜂鸣器在以上三种情况都发出报警声音以便护士不在现场时也能够及时知道紧急情况。

3开发系统3．1 AT89C51单片机ATMEL公司的AT89C51 Flash单片机，它是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机，片内带有4KB的Flash可编程可擦除只读存储器，它采用CMOS工艺和高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且引脚和指令系统都与MCS-51兼容。

片内的Flash存储器允许在系统内可改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。

AT89C51是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，可方便地应用在各个领域。

AT89C51工作的电压范围在2.7V-6V之间。

AT89C51具有如下的主要特点：（1） 4KB可编程序的Flash存储器（可擦写1000次）。

（2）全静态工作频率：0Hz-24MHz。

（3）三级程序存储器保密。

（4）128字节内部RAM。

（5） 2条可编程I/O线。

（6）2个16为定时器/计数器。

（7）6个中断源。

（8）编程全双工串行通道。

（9）片内时钟振荡器。

AT89C51这款功能强大的单片机能够作为本设计的一个处理器，来实现信号的处理功能。

3．2 TOP851通用编程器TOP851型编程器具有体积小，功耗低，可靠性高的特点，是专为开发51系列单片机和烧写各类存储器而设计的普及机型。

它采用串口与PC几连接通信，抗干扰性能好，可靠性极高，特别适合烧写各种一次和电擦除器件。

他能够把编译好的文件装载入缓存中并通过指令写到单片机中。

具有自动检测元件是否插好，过电流保护，自动探测机器速度等功能。

3．3 电路设计软件PROTEL99SEProtel99SE是一款基于WINDOWS操作系统的电子线路CAD软件，具有自动布线、自动布局逻辑检测和逻辑模拟等功能。

它主要由两大部分组成。

原理图设计系统和印制电路板设计系统。

原理图编辑器提供高了速智能的原理图编辑手段，产生高质量的原理图输出结果。

他的元件库提供了超过6万中元件，最大限度的覆盖了众多电子元件生产厂家的繁复庞杂的元件类型。

元件的连线使用自动化的画线工具，然后通过功能强大的电气法检测，对所绘制的原理图进行快速检查。

印制电路板编辑器为用户提供了一条快捷的设计印制电路板的途径。

PCB编辑器通过它的交互性编辑环境达到了手动设计与自动化设计的融合。

PCB的底层数据结构最大限度地考虑了用户对速度的要求，通过对功能强大的设计法则的设置，用户可以有效的控制印制电路板的设计过程。

Protel软件具有综合设计数据库、原理图元件库、PCB封装库，简便的同步设计，其强大的功能大大提高了电子线路的设计效率。

4硬件设计4．1 信号采集信号的采集是由传感器来实现得，它的准确与否直接关系到以后电路的信号处理的准确性。

在呼吸监测仪中我们应该考虑到实际中的应用问题，一般危重病人都采取如图1所示的装置来给予氧气,在此装置上我们做了一些改进，在进气管和出气管中我们都加入了一个阀门，他们的作用是在病人吸气时进气阀门打开而出气阀门关闭，在呼气时进气阀门关闭而出气阀门打开，这样就保证了两个管道中都只能有一个方向的气流。

在出气管道中安装了一个叶轮和发光二极管与光电管的组合作为采集呼吸信号用，装置如图2，在病人的呼吸气流通过叶轮时会带动叶轮转动，在叶轮的两侧适当的位置安装上发光二极管与光电管，在叶轮转动过程中会使发光二极管所发出的光时而被遮挡时而透过，这样就会在光电二极管一侧得到一串光脉冲，经过光电管的转换在其输出端便会产生一串电脉冲信号。

由图1可以知道气流是单向流动的，在出气时出气管道的阀门打开，这样便会使气流带动叶轮转动，而气流的强度和通气的时间正比于叶轮的转速，而叶轮的转速的变化又使光电二极管产生的脉冲个数随之变化，这样就可以通过记录脉冲的个数来定性的反映出一次呼吸量的大小。

当吸气时，气流会通过进气管道进入人的鼻腔，而出气管道中不会再有气流通过，此时叶轮会停止转动，光电二极管也不会再有脉冲产生，此时一次呼吸完成。

4．2 信号的整形电路经过传感器产生的信号并不能作为单片机的输入信号，由于传感器产生的信号不是规则的方波，且最低电平未在零附近。

如图3所示：这样的脉冲电压不能够使单片机正常的工作,在计数的过程中会使计数不准确甚至不能使单片机计数。

所以要对该脉冲波进行整形。

电路如图4所示：1V所以不能使74LS14正常工作，在此应用了电容和电阻R13的组合电路，通过电容把信号偶合到电阻R13和74LS14的1脚上，这样可以使信号的最低电平小于0.8V，最高电平在2V以上，能够达到施密特触发器正常工作的条件，在整形后的信号波形如图5：波形是方波信号，低电平和高电平都能满足单片机的工作要求。

4.3显示电路设计单片机对LED的显示分为静态显示和动态显示两种，静态显示的特点是个LED管能稳定的同时显示各自字行；动态显示是LED轮流的周期的显示各自字符，由于人视觉上的惰性看上去就象LED在同时显示。

采用何种方法来实现显示功能主要和具体设计有关。

静态显示需要加入硬件芯片，他能够提供显示的驱动电流和静态锁存功能，这样可以不必再加入驱动电路，而且显示稳定，没有闪烁感觉。