呼吸频率检测计的设计Word格式.docx

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Inthisthesis,asystemisdesignedtodetectandtodisplaythebasicphysiologyofhumanrespiratoryfrequency.Inputaseriesofbreathingsignal,thefinalpartofthenumberofbreathingratewillbeshownintime.Collectingthebreathingsignal,throughthissystem,filtering,amplification,shaping,pulsetimingcircuit,partofthefinalcircuitisshowninthedisplaytheresultsoftestsrespiratoryrate.Thisdesignusesafour-wayharmonic,breathingfrequencyofthetestingtimereducefromoneminuteto15seconds,makingtestingmoreefficient.Thisdesignimprovestestingefficiencyandsavealotoftime.Asthecarbondioxidesignalislowfrequencysignal,soonlylow-passfilter,youcangetthecarbondioxidesignalwithoutimpurities.CarbondioxidesignalisatthelevelofmVdegrees.Therefore,amplifiercircuitisusedtomaketheoriginalsignalamplifyingtothelevelofVdegree,thiswillenableamoreaccuratetestresults.

KEYWORDS:

breathingrate，amplifier，filter，display，count

前言

当今社会，人们的生活水平有了很大的提高，人们对生命质量的要求也越来越高。

但是因为环境污染及其他方面原因导致的人体各方面的疾病越来越多。

人体各种突发性疾病都能从呼吸方面体现出来，所以呼吸检测是一个重要的医学检测手段。

呼吸是人体内外环境之间进行气体交换的必需过程，人体通过呼吸系统吸进氧气、呼出二氧化碳，从而维持正常的生理功能。

每分钟的呼吸次数即呼吸频率。

呼吸频率随年龄、性别和生理状态而异。

成人平静时的呼吸频率约为每分钟16~18次；

儿童约为每分钟20次；

一般女性比男性快1~2次。

我们可以通过测定人体呼出的二氧化碳量来测定人体的呼吸频率，临床诊断中医生利用呼吸频率可以初步检测人体是否患有疾病。

呼吸频率检测计的设计应满足以下几方面的要求：

能够精确地监测人体呼吸频率参数，并判断其是否处于正常范围之中；

能够满足实时、连续、无创、人性化的要求。

现在最常见的呼吸频率检测方法有：

超声多普勒呼吸频率检测，即利用人体呼吸时的胸廓的运动，把超声波打到运动部位产生多普勒现象，通过电路分析，检测出呼吸频率，达到非接触的检测目的；

以8098单片机为基础的阻抗式呼吸频率检测系统，具有实时检测呼吸频率参数和自动报警功能；

敏法呼吸频率检测，采用PN结温度传感器和热电阻作为传感器，设计了相应的放大，滤波，波形变换电路，得到反映呼吸频率的数字信号。

第一章绪论

§

1.1课题研究的意义与现状

在现代社会中，随着人们的健康意识和保健要求的日益增强，医疗模式由对症治疗向预防为主转变，适用于家庭的人体健康状况监测系统的需求越发迫切。

同时，作为各级医院基本设备配置的监护设备，也正被广泛的运用，并且促进了医院业务项目的开展，如社区服务，现场紧急救护等。

在这一背景下，很多的科研工作者依然致力于人体生理参数监护系统的研究，希望使其功能更加完善。

呼吸功能是人体生命功能之一，简单的说，呼吸过程就是给全身的组织输送氧气，排出二氧化碳的过程，受呼吸过程影响最大的人体器官是脑和心。

呼吸功能的检测，对于诊断某些呼吸系统疾病，估计呼吸功能损害程度，起到很大作用。

除了对疾病本身的治疗意义外，更重要的是指导病人的呼吸管理、急救复苏、重症病人的诊断治疗等。

机体在多种因素下发生呼吸生理功能紊乱的同时，常伴有循环、神经、内分泌代谢、肝肾等其他系统功能的变化，且他们之间又互为因果。

因此在对呼吸功能进行检测的同时，应全面对其他人体系统进行检测，才不至于顾此失彼。

目前的监测系统可向医护人员提供病人生命体征的各项重要参数，利用这些信息，临床医生能更好地分析患者的病情，使医生的诊断和治疗建议更快，更准确地反馈到对病人的治疗中，从而采取适当的治疗措施，获得最佳的治疗效果，因此人体生理参数监测系统的作用越来越受到重视。

本设计正是基于这一现状，利用大学期间所学专业知识设计一个能对人体生理参数进行无创监测的简易系统。

1.2课题研究的理论依据

呼吸信号是一种频率很低的微弱人体生理信号，由于呼吸信号取自人体，信号源阻抗较高，而且存在着较强的背景噪声和干扰，呼吸是人体重要的生理过程，对人体呼吸的监护检测也是现代医学监护技术的一个重要组成部分。

呼吸信号不仅仅局限于呼吸频率、呼吸节律、动脉血气以及普通胸片等常规项目，更受到重视的是，能确切反映患者通气/氧合状况并能指导机械通气治疗参数调节和临床用药的指标。

人体生理信号的监测技术已有五十多年的发展历程了，最初主要是应用于心电信号的监测。

到目前为止，人体监护系统已经能够对大多数生理信号进行检测，其监测方法基本上是相同的。

呼吸信号具有下列特点：

1、微弱性：

呼吸信号通常是mV级别，常见的呼吸信号幅度在5mV左右。

2、低频特性：

常见的呼吸信号一般在0~100Hz之间，能量主要集中在17Hz附近。

3、信号源阻抗高：

信号源内阻可达几兆欧或者几千欧。

4、强噪声背景：

在检测呼吸信号的同时存在着来自于测量系统外部的强大的干扰，这些干扰主要包括电磁干扰、电场干扰和磁场干扰。

本文主要采用测定人体内二氧化碳量的变化信号来确定人体呼吸频率，通过测定15秒内人体二氧化碳信号的变化，采用四倍频的方法即可测定出来一分钟内人体呼吸频率。

该系统采用的具体测量方法：

输入一个收集到的二氧化碳信号，经滤波电路滤波，得到无杂质的二氧化碳信号，然后采用放大电路将微弱信号放大，放大后的信号输入555定时器单稳态触发器进行整形将不规则的波整形成较规则的矩形波，方便计数。

1.3本章小结

本章主要介绍了课题研究的意义与现状，以及设计的理论依据。

第二章总体设计方案及流程框图

2.1系统设计原则

本设计为一套无创监测人体生理信号的简易系统。

这是一套能够实时地对人体的呼吸频率进行检测，其基本要求有无创，实时，连续。

由于人体呼吸信号十分微弱，噪声背景强且信号源阻抗较大，因此，在设计过程中通常要求放大器具有高增益，高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、非线性度小、合适的频带和动态范围等性能。

（1）高增益

由于人体生理信号幅度非常小，为毫伏级。

只有高增益才能使信号放大到便于分析的程度。

通常选择增益在60db（1000倍）~120db（100万倍）之间。

（2）高输入阻抗

通过传感器提取的生理信号是不稳定的高内阻源的微弱信号，为了减小信号源内阻的影响，必须提高放大器的输入阻抗。

信号源阻抗不仅因人而异，因生理状态而异，与传感器的安放位置，传感器本身的物理状态都有密切关系。

源阻抗的不稳定性将使放大器电压增益不稳定，从而造成难以修正的测量误差。

再者，理论上源阻抗是信号频率的函数，电极阻抗也是频率函数，变化规律都是随频率的增加而下降。

如果放大器输入阻抗不够高，就会造成信号低频分量的幅度减小，产生失真。

用于生理信号电位测量的放大器的输入阻抗高达1M欧姆量级。

（3）高共模抑制比

由于生理参数测量放大器一般具有高增益和高输入阻抗，因而各类干扰极易随信号进入放大器，尤其工频（50Hz）干扰，因为这种信号正好落在呼吸信号的频谱范围内。

强的干扰与有用信号叠加在一起，使显示与记录的信号的基线变宽，影响信号的观察与测量。

为此放大器必须有较好的抗干扰能力。

（4）低噪声

由于生物电信号十分微弱，因此要求生物电测量放大器具有低的内部噪声。

一般采用低噪声电阻和低噪声放大器。

仪器噪声可用等效噪声和信噪比来衡量。

（5）低漂移

由于生理信号为低频信号，放大器一般采用直接耦合方式，则前一级放大电路的温度漂移影响一级放大电路的工作点，导致后一级进入饱和而无法正常工作，所以要求用低漂移放大器。

2.2总体设计方案及流程框图

首先，通过传感器将人体的生理信号收集起来。

因为人体生理信号非常微弱，不便于直接进行数据分析，所以要将这些信号进行加强，这里主要用到了放大电路。

其次，因为收集到的呼吸信号中掺杂有别的生理信号，会影响到目的信号的纯度给分析带来困难，所以要对收集到的信号进行滤波。

使这些信号分别通过预先设计好的滤波器就可以达到此目的。

又因为这些信号的波形不规则不方便计数，所以接下来就要将这些信号的波形整形为规则的矩形波，因此这里需要设计一个整波电路。

最后进行计数，将数据及时显示在显示电路的数码管上显示出来。

整个设计过程的流程图如下所示：

图2-1设计流程图

2.3本章小结

本章的主要内容是阐述此设计所要满足的基本要求，设计的总体方案及主要框图。

通过本章可以对此设计有一个整体上的了解，以便于下面对具体的设计方案进行介绍。

第三章数字电路模块的设计

3.1呼吸检测部分电路设计

测量呼吸频率有模拟和数字两种方法。

模拟方法是在给定的时间间隔内计算呼吸变化的脉冲个数，然后将脉冲计数乘以一个适当的常数用以测量心率，数字方法是先测量相邻脉冲之间的时间，再将这个时间转换为每分钟的呼吸次数来测量呼吸频率。

本设计采用模拟方法来测量呼吸频率。

3.1.1放大及滤波电路

图3-1一阶低通滤波电路

一、滤波电路

滤波电路就是对信号的频率具有选择性的电路，它的功能是使特定频率范围内的信号顺利通过，而阻止其他频率信号通过。

通常按照滤波电路的工作频带为其命名，分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器和全通滤波器。

设截止频率为fp，频率低于fp的信号可以通过，高于fp的信号被衰减的滤波电路称之为低通滤波器；

反之，频率高于fp的信号可以通过，而频率低于fp的信号被衰减的滤波电路称为高通滤波器。

前者可以作为直流电源整流后的滤波电路，以便得到平滑的直流电压；

后者可以作为交流放大电路的耦合电路，隔离直流成分，削弱低频信号，只放大频率高于fp的信号。

设低频截止频率为fp1，高频段的截止频率为fp2，频率fp1到fp2之间的信号可以通过，低于或高于的信号被衰减的滤波电路称之为带通滤波器；

反之，频率低于和高于的信号可以通过，而频率是到之间的信号被衰减的滤波电路称为带阻滤波器。

前者通常用于载波通信或弱信号提取等场合，以提高信噪比；

后者用于在已知干扰或噪声频率的情况下，阻止其通过。

全通滤波器对于频率从零到无穷大的信号具有同样的比例系数，但对于不同频率的信号将产生不同的相移。

若滤波电路仅由无源元件（电阻、电容、电感）组成，则称为无源滤波电路。

若滤波电路不仅由无源元件，还由有源元件（双极型管、单极型管、集成运放）组成，则称为有源滤波电路。

为了使负载不影响滤波特性，可在无源滤波电路和负载之间加一个高输入电阻低输出电阻的隔离电路，最简单的方法是加一个电压跟随器，这样就构成了有源滤波器。

有源滤波电路一般由RC网络和集成运放组成，因而必须在合适的直流电源供电的情况下才能起滤波作用，于此同时还可以进行放大。

组成电路时应选用带宽合适的集成运放。

有源滤波电路不适于高电压大电流的负载，只适用于信号处理。

低通滤波器是容许低于截至频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。

图3-2二阶低通滤波电路

1、低通滤波器

本滤波器是反相放大低通滤波器一阶电路，

通带放大倍数Aup=-R2/R1=-25.5，

电路的传递函数Au（s）=（-R2/R1）*{1/（1+sR2C）}

用jw取代s，令f0=1/2πR2C，可得出电压放大倍数Au=Aup/（1+jf/f0）

通带截止频率fp=f0

反相放大低通滤波器二阶电路，增加RC环节，可以使滤波器的过渡带变窄，衰减斜率的值增大。

当多个低通滤波器串联起来时，就可以得到高阶低通滤波器，原理框图如下：

图3-3高阶低通滤波电路

二、放大电路：

图3-4放大电路

放大电路采用同相比例运算电路，电路引入了电压串联负反馈，故可以认为输入电阻为无穷大，输出电阻为零。

即使考虑集成运放参数的影响，输入电阻也可达109Ω。

根据虚短和虚断的概念，集成运放的净输入电压为零，即

Up=Un=Ui

说明集成运放有共模输入电压，可得uo/uI=1+Rf/R，即放大倍数为31倍。

虽然同相比例运算电路具有高输入电阻，低输入电阻的优点，但因为集成运放有共模输入，所以为了提高运算精度，应当选用高共模抑制比的集成运放。

在对电路进行误差分析时，应特别注意共模信号的影响。

3.1.2整形电路

图3-5555定时器结构图

555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、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、控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到广泛应用。

555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。

一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。

555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。

555定时器的功能主要由两个比较器决定。

两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。

在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC/3。

若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。

如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。

上图是CB555的电路结构图。

它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。

它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。

下图是由555定时器组成的单稳态触发器，单稳态触发器的工作原理：

图3-6555定时器组成的单稳态触发器

单稳态触发器的特点是电路有一个稳定状态和一个暂稳状态。

在触发信号作用下，电路将由稳态翻转到暂稳态，暂稳态是一个不能长久保持的状态，由于电路中RC延时环节的作用，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态，并在输出端获得一个脉冲宽度为tw的矩形波。

在单稳态触发器中，输出的脉冲宽度tw，就是暂稳态的维持时间，其长短取决于电路的参数值。

由555构成的单稳态触发器电路及工作波形如图1所示。

图中R，C为外接定时元件，输人的触发信号ui接在低电平触发端（2脚）。

稳态时，输出uo为低电平，即无触发器信号（ui为高电平）时，电路处于稳定状态——输出低电平。

在ui负脉冲作用下，低电平触发端得到低于（1/3）Vcc，触发信号，输出uo为高电平，放电管VT截止，电路进入暂稳态，定时开始。

在暂稳态期间，电源＋Vcc→R→C→地，对电容充电，充电时间常数T＝RC，uc按指数规律上升。

当电容两端电压uc上升到（2/3）Vcc后，6端为高电平，输出uo变为低电平，放电管VT导通，定时电容C充电结束，即暂稳态结束。

电路恢复到稳态uo为低电平的状态。

当第二个触发脉冲到来时，又重复上述过程。

3.1.3计时电路

图3-7计时脉冲电路

图3-7为本设计计时电路，采用74163芯片。

74163为可预置的4位二进制同步计数器，163的清除是同步的。

当清除端（CLR）为低电平时，在时钟端（CLK）上升沿作用下，才可完成清除功能。

163的预置是同步的。

当置入控制端（LOAD）为低电平时，在CLK上升沿作用下，输出端（QA-QD）与数据输入端（A-D）相一致。

163的计数是同步的，靠CLK同时加在4个触发器上而实现。

当ENP和ENT均为高电平时，在CLK上升沿作用下QA-QD同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。

下图为74163管脚介绍：

图3-874163管脚

74163在本设计中主要功能就是定时，它产生的信号周期为16秒，高电平宽度为15秒，低电平宽度为1秒。

通过与门与整形后的二氧化碳信号相与，进而对整形后的二氧化碳信号计数15秒。

3.1.4倍频电路

图3-9二倍频电路

如上图就是一个二倍频，选取合适的C和R，然后微调R，使占空比等于百分之50，后面还可以串联多级就可以得到四倍频，八倍频等等。

第一个与非门起缓冲隔离作用，经由RC微分电路C1a，R1a将输入的方波信号的上升沿变成一个脉冲，C1b，R1b组成的微分电路将输入信号经过一个与非门后的反响信号的上升沿变成一个脉冲，当电压上升到加法器内各与非门的导通电压时，这两个脉冲信号仅有加法器相加得到了输入信号的二倍频。

本设计采用两个二倍频电路串联得到一个四倍频电路，输入的一个15秒的脉冲信号经过四倍频电路之后得到1分钟的信号结果。

3.1.5显示电路

图3-10两个74160连接成的显示电路

在数字系统中使用最多的时序电路要算是计数器了。

计数器不仅能应用于对时钟脉冲计数，还可以用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列以及进行数字运算等。

计数器种类非常繁多。

如果按计数器中的触发器是否同时翻转分类，可以把计数器分为同步式和异步式两种。

在同步计数器中，当时钟脉冲输入时触发器的翻转是同时发生的。

而在异步计数器中，触发器的翻转有先有后，不是同时发生的。

如果按技术过程中计数器数字增减分类，又可以把计数器分为加法计数器、减法计数器和可逆计数器。

随着计数脉冲的不断输入而作递增计数的叫加法计数器，作递减计数的叫减法计数器，可增可减的叫可逆计数器。

如果按计数器中数字编码方式分类，还可以分为二进制计数器、二-十进制计数器、循环码计数器等。

目前常见的计数器芯片在计数进制上只作成应用较广的几种类型，比如十进制、十六进制、7位二进制、12位二进制、14位二进制等。

上图为本设计的显示电路，显示电路采用三个74160串联来实现经过滤波放大整形后的二氧化碳信号的计数。

74160是一个4位二进制的计数器，它具有异步清除端与同步清除端，而本设计要求计数是递增的，所以采用同步十进制加法计数器，即QDQCQBQA=0000状态逐渐变化到QDQCQBQA=1001，而后再跳变为QDQCQBQA=0000的过程。

从0000开始计数，直到第九个计数脉冲为止。

计入第九个计数脉冲后电路进入1001状态，这时QD的低电平使门G1的输入为0，而QA和QD的高电平使门G3的输出为1，所以四个触发器的输入控制端分别为T0=1、T1=0、T2=0、T3=1。

因此，当第十个计数脉冲输入后，FF1和FF2维持0状态不变，FF0和FF3从1翻转为0，故电路返回0000状态。

74160的ENP与ENT引脚具有锁存功能，当ENP或ENT为高电平时正常工作，在工作过程中，ENP与ENT都变为低电平时即停止计数并通过七段数码显示管显示最后的计数情况，根据这个原理可以用一个与非门的两个输入端接左边计数器的QB与QC，输出端与心电计数电路和时钟控制电路的个位的ENP与ENT引脚都相连，当QB与QC都为高电平输出时与非门的输出就是低电平，低电平控制ENP与ENT，使计数停止并显示最终结果。

3.2A/D转换器

即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。

通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。

由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。

故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。

而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。