呼吸监测设计Word文档格式.docx
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半导体热敏电阻分为三类，即负温度系数（NTC）型、正温度系数（PTC）型和单晶掺杂的半导体型。
它们的阻值与温度的变化关系有关，温度系数为正，表示电阻值随温度的升高而增大，温度系数为负，则反之亦然。
如果在这些传感器装在呼吸管道上，则在呼、吸气时产生的温度变化会引起传感器的电量的变化。
一般系统主要由温度传感器、前置直流放大器、基线稳定电路、低频放大器、Smith触发器、A/D转换器、数字信号处理电路、CRT显示等部分组成。
系统框图如图1-1所示。
温度传感器中的传感元件采用灵敏度很高的NTC型球状热敏电阻，其时间常数t<
0。
5ms，在使用范围内呈良好的线性。
温度传感器桥路电阻选用了严格配对的NTC热敏电阻及精密调零电位器，以消除环境温度变化造成的桥路失衡。
前置直流放大器是由多级运放构成的高灵敏度、高增益、高信噪比的放大电路。
如睡眠监护仪通常将传感器安放在夹子的平直片前端外测，使用时将热敏电阻置入鼻孔，通过感测温度的变化来检测是否呼吸和呼吸频率。
图1-1温度传感器系统框图
Fig1-1Thetemperaturesensorsystemdiagram
以往的呼吸监测护仪的传感器一般都采用热敏法，虽然用热敏法有很多的优点，但是由于它只能监测到是否有呼吸和呼吸频率，所以显然不能满足现在人们的需求，所以现在的呼吸监护仪一般都不采用这个检测方法了。
1.1.3方案三:
阻抗法测量
阻抗法是利用人体某部分阻抗的变化来进行某些参数的测量，以帮助监护及诊断。
测量的关键在于电极系统的选择，在低频段一般采用电桥法、双电极法、四电极法和四环电极法。
但在呼吸测量方面，阻抗技术发展较慢。
虽然国外学者早就研究出胸阻抗变化与呼吸活动有直接关系图，但是由于心动、血流等低频信号的干扰，给检测呼吸波形带来很大困难，使得利用阻抗法检测呼吸信号尚未得到广泛应用。
1.1.4方案四:
新型呼吸监测法
新型呼吸监测法主要由流量传感器、气路连接管路、压力传感器、压差放大器、模数转换电路和单片机系统等组成。
呼吸监护仪在使用时，将流量传感器接在呼吸机和病人的呼吸道是。
当呼吸气流通过流量传感器时，其内部的限流孔会感应到一个压力差。
这个压力差经气路连接管传递给压力传感器一测量，最终用于计算呼吸气道中的流量。
压力传感器二用于测量病人呼吸气道中的压力。
输出的两路压力信号经过放大滤波和模数转换后得到数字化的气路状态信息，再进一步通过相应的算法和波形特征识别出有关参数和曲线。
这些参数和曲线将是构成评价气路状态的客观指标。
通过上述的比较，可以发现在一个呼吸监测系统中如果单单使用一个传感器是不能满足系统的要求同时测量多个参数的。
所以我们在这个设计中，充分考虑到这点，同时通过对呼吸力学的研究，我们发现只要一个系统能同时检测到呼吸力学中的最基本的三个量：
流量、压力和时间，就能通过这三个基本物理量计算得到十多个呼吸的基本量，如呼吸频率、吸气呼气时间比、峰值流量等。
而本文所用的系统恰能检测到这三个参量。
所以我们选用方案四来做。
[3]
医学常识
潮气量：
每次吸气吸进的氧气量，范围为100～1000ml/次；
每分钟的通气量：
每分钟吸入的氧气量，范围为4～20L/min；
正常情况下，潮气量（VT）和每分钟通气量（VE）因性别、年龄和体表面积不同而有差异，男性VT约为7。
8ml/kg，女性为6。
6ml/kg，VE为5~7L/min。
呼吸抑制（如麻醉、镇痛药、肌松药等）和呼吸衰竭时VT减少，手术刺激和PaCO2升高时，VT增加。
如潮气量减少，频率相应增加（VE=VT×
f），若超过25~30bpm，则提示呼吸机械运动已不能满足机体需要，并且可导致呼吸肌疲劳。
机械通气时，成人VT需要8~10ml/kg，小儿为10~12ml/kg，可根据PaCO2或呼气末CO2分压（PETCO2）进行调节，VT过大时，使气道压力升高，影响循环功能。
VE>
10L/min，不能撤离呼吸机。
呼吸频率：
每分钟吸气或呼气的次数，一般在15～30/次/min，允许误差：
±
15%；
呼吸比：
吸气时间与呼气时间的比值，一般为1：
2；
吸气时间：
每次吸气气用的时间，单位为s;
[4]
新型呼吸监测仪系统总框图
图1-2新型呼吸监测仪的系统框图
Fig1-2Thenewbreathingmonitor’ssystemblockdiagram
智能传感器呼吸监测仪工作原理
本呼吸监护仪主要由流量传感器、气路连接管路、压力传感器、压差放大器、模数转换电路和单片机系统等组成。
呼吸监护仪在使用时，将流量传感器接在呼吸机和病人的呼吸道两端。
[5]
2硬件设计
传感器相关理论
本论文是智能传感器技术在呼吸监护仪中的应用，所以在设计中我们不得不提到相关的传感器，在这之前，我们先介绍一下传感器的基本知识。
2.1.1传感器的定义
传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置。
通常有敏感元件和转换元件组成。
其中，终身敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分，转换元件是指传感器中将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。
2.1.2传感器的组成和分类
传感器由敏感元件和转换元件组成，需要有信号调节和转换电路将其放大或转换为容易传输、处理、记录和显示的形式，其组成框图如图2-1所示。
图2-1传感器组成方块图
Fig2-1Sensorcomponentblockdiagram
传感器的类型根据不同折分类方法可以分为很多种，具体的类型如表2-1所示：
表2-1传感器的分类
Tablet2-1Theclassificationofsensor
分类方法
传感器的种类
说明
按输入量分
位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等
传感器以被测物理量命名
按工作原理分
应变式、电容式、电感式、压电式、热电式、压阻式、压力式等
传感器以工作原理命名
按物理关系分
结构型传感器
传感器依赖其结构参数变化实现信息转换
物性型传感器
传感器依赖其敏感元件物理特性的变化实现信息转换
按能量关系分
能量转换性传感器
传感器直接将被测量的能量转换为输出量的能量
能量控制型传感器
由外部供给传感器能量，而由被测量来控制输出的能量
按输出信号分
模拟式传感器
数字式传感器
输出为模拟量
输出为数字量
2.1.3传感器的静态和动态特性
1）传感器的静态特性
传感器在稳态信号的作用下，其输出—输入关系称为静态特性。
衡量传感器的静态的重要指标是线性度、灵敏度、迟滞和重复性。
线性度：
表示的是传感器的输出与输入之间的线性程度。
其理想的输出和输入是线性的，但实际上许多传感器的输出输入特性是非线性的，一般用下列多项式表示：
y=
+
……
其中，y是输出量，x是输入量，
是零位输出，
是传感器线性灵敏度，
，
…待定常数。
灵敏度：
表示传感器在稳态下输出输入变化的比值，用
表示，即
对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率，即
。
非线性的传感器灵敏度为一变量。
一般希望传感器的灵敏高，在满量程的范围内是恒定的，即传感器的输出—输入特性为直线。
迟滞性：
表明传感器在正反行程期间输出输入特性曲线不重合的程度。
也就是说，对应于同一大小的输入信号，传感器正反行程的输出信号大小不相等，这就是迟滞现象。
产生这种现象的主要原因是传感器机械部分存在不可避免的缺陷。
迟滞大小一般要由实验方法确定，用最大输出差值△max对满量程输出y的百分比表示
或
重复性：
表示传感器的输入量按同一方向做全量程多次测试时所得特性曲线不一致性程度。
多次重复测试的曲线重复性好，误差也小。
重复特性的好坏是与许多因素有关的，与产生迟滞现象有相同的原因。
不重复性指标一般采用最大不重复误差△max与满量程输出y的百分比表示：
2）传感器的动态特性
传感器的动态特性是指传感器激励对响应的特性。
各动态性好的传感器，其输出随时间变化的规律，将能同时再现输入随时间变化的规律，即具有相同的时间函数。
研究传感器的动态特性可以从时域和频域两个方面采用瞬态响应和频率响应法来分析。
在时域内我们一般研究几种特定的输入时间函数如阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数等响应特性；
在频域内采用正统函数得到频率响应特性。
在对传感器进行动态特性的分析和动态标定时，为了方便比较和评价，常常采用正弦变化和阶跃变化的输入信号。
模拟电路部分
2.2.1传感器的选型
1）差压式流量传感器
差压式流量传感器又称节流式流量传感器，它是利用管路内的节流装置，将管道中流体的瞬时流量转换成节流装置前后的压力差的原理来实现的。
差压式流量传感器流量测量系统主要由节流装置和差压计（或差压送器）组成。
其工作的基本原理是：
充满管道的流体，当它流经管道内节流件时，如图2-2所示，流速将在节流件处形成局部收缩，因而流速增加，静压力隆低，于是在节流件前后便产生了压差，流体流量愈大，产生的压差愈大，因而可依据压差来衡量流量的大小，这种测量方法是以流动连续性方程（质量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）为基础的，压差大小不公与流量还与其它因素有关，如节流装置型式、流体的物理性质（密度、粘度等）以及雷诺数等。
图2-2差压式流量传感器
Fig2-2Differentialpressureflowsensor
差压式流量传感器的检测系统如图2-3所示。
图2-3差压式流量传感器的检测系统
Fig2-3Thedifferentialpressureflowsensordetectionsystem
2）压力传感器
本设计中压力传感器选用压阻式压力传感器。
压阻式压力传感器的压力敏感元件是压阻元件，它是基于压阻效应工作的。
所谓的压阻元件实际上就是指在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，当它受外力作用时，其阻值由于电阻率的变化而变化。
扩散电阻正常工作时需依附于弹性元件，常用的是单晶硅膜片。
本设计中的两个压差传感器分别选用NPC—103陶瓷封装硅压力传感器和NPC—12010系列中的任何一款。
NPC—103陶瓷封装硅压力传感器的电路如图2-4所示：
图2-4NPC—103压力传感器电路结构
Fig2-4NPC—103Pressuresensorcircuitstructure
表2-2NPC—103的技术特性
Tablet2-2NPC—103technicalcharacteristics
特性
数值
备注
一般特性
物理特性
压力范围/kPa
最大过载
105
210
700
3X
额定压力
重量/g
兼容介质
清洁、干噪等气体
电特性（22℃，除非有其它说明）
性能参数
供电电压/VDC
输入阻抗/
输出阻抗/
3
5000±
20%
最大12VDC
零点输出/（mv/v）
满度输出/mv
非线性/%FS
迟滞/%FS
零点温漂/%FS
电阻温度系数/%/℃
零点温度迟滞/%FS
满度长期稳定性/%FS
10
60±
20
环境条件
温度范围
工作温度/℃
存储温度/℃
-40～125
-55～125
-40～275℉
-67～302℉
NPC—1210低压系列传感器[6]是一种在宽温度范围内具有补偿校准性能，性价比较高的压阻电桥式压力传感器。
它具有适合PCB板的双列直插封装，可选的压力口和管腿结构，在对压力连接方向很挑剔的低剖面应用场合下提供了优良的灵活性。
NPC—1210系列基于LucasNovaSensor先进的SenStable压阻传感技术，使用硅显机械加工技术把压阻应变计离子植入惠斯通电桥结构中。
对于压阻效应温度系数大的影响，NPC—1210系列提供了0℃到60℃范围内优良的温度补偿特性。
NPC—1210内部还集成一个恒流源设定电阻，规范化了满量程输出（FSO），以满足现场互换性的要求。
其电路如图2-5所示：
图2-5NPC—1210电路结构图
Fig2-5NPC—1210circuitstructure
2.2.2放大电路的设计
呼吸气流通过呼吸道时，流量传感器内部的限流装置感应出的压差是一个非常微弱的呼吸生理信号。
如果将此微弱信号放大滤波，以获得低噪声的呼吸生理信号，这对于后端数字信号的处理和人体呼吸信息的识别、计算都有非常重要的意义。
在本设计中，压力传感器的输入电阻典型值为4000
，输出电阻典型值为5000
，接到放大电路做信号源的输出电阻很大，且差模电压在满量程输出的情况仅为50mV左右，其模干扰很大，所以这里采用仪用放大器结构。
仪用放大器是一种高性能的放大器，除了完成对低电平信号进行线性放大外，还担负着阻抗匹配和抗共模干扰的任务。
其对称结构可同时满足对放大器的抗干扰能力、输入阻抗、闭环增益的时间和温度稳定性等不同的性能要求。
仪用放大器的内部基本结构如图2-6所示、它由三个通用的放大器组成，第一级为两个对称的同相放大器，第二级是一个差动放大器。
图2-6仪用放大器内部电路结构图
Fig2-6internalcircuitstructureofInstrumentamplifier
本设计中的仪用放大器用具有8引脚的INA114仪用放大器。
INA114仪用放大器是一个低成本的普通仪用放大器，不需要外接失调调整电路就可以获得很高的精度。
在使用时，只需要外接一只普通电阻就可以得到任意增益，其增益范围为1～10000可变，正、负输入端具有内部过压保护电路，其保护范围可达±
40V，具有很高的共模抑制比和很低的失调电压及漂移电压。
它可在±
的电压下工作，适合电池供电及单一+5V供电系统使用。
其内部的电路结构如图2-7所示：
图2-7INA114仪用放大器内部电路结构图
Fig2-7INA114internalcircuitstructureofInstrumentamplifier
其八角封装的基本接法如图2-8所示：
图2-8INA114八角封装接法
Fig2-8INA114encapsulationaniseconnection
该放大器的增益A通过外接电阻Rg获得调整，并由公式A=1+50K
/Rg确定。
本设计中有两路放大，压力传感器1这一路通过Rg变化将A设定在A=180；
压力传感器2这一路通过Rg变化将A设定为A=36。
5。
仪用放大器INA114的主要性能参数如下：
失调电压：
〈50uV温度漂移：
〈℃
输入偏置电流：
2nA（最大值）输入失调电流：
2nA
共模抑制比：
＞115dB（G=1000）长期稳定性：
≈±
uV/月
输入共模电压：
输入过载保护：
＞±
40V
电源电压范围：
～±
18V静态电流：
〈3Ma
2.2.3滤波电路的设计
由于现在的有源滤波器一般价格都比较高，容量小，同时国际上大容量硅阀技术还不成熟，所以当前常见的有源滤波容量不超过600Kvar，其运行的可靠性也这及无源滤波器。
所以本设计中滤波电路用无源低通滤波电路，其性能也满足本设计的要求，其截止频率为f=1/2ΠRC=32Hz，可滤除各种高频干扰，其放大倍数A≈1。
其电路如图2-9所示：
图2-9RC无源滤波
Fig2-9RCpassivefilter
2.2.4三通阀控制电路
三通阀校准的目的是抑制压力传感器漂移、放大电路中的漂移以及工作中的温度漂移。
当这个压力传感器与外界相通时，压力输入应该是为0，放大电路的输出也应该是一个恒定的基准电压值，这时将所得到基准电压值的AD值作为零力参考点。
但由于传感器、放大器、电阻等器件的参数会随温度、时间的变化而微小变化，使得上述的零压力考参点发生漂移，这时零压力参考点数值将直接影响压力的测量，为此，需要不断地定期切换三通阀来获得当前的零压力点的电压基准值。
通过软件的方法可实现上述的零点自动校准。
三通阀的作用是使2个压力传感器同时通向大气，使压力传感器的输入差压为0。
压力传感器为2路气管输入，每个气管需要接一个三通阀，共需要2个三通阀。
在硬件上使用单片机上的一个端口来控制2个三通阀的驱动电路。
2.2.5电源电路
压力传感器属于电流驱动型，的激励电流对应一定的压力满量程输出。
适当减小压力传感器的激励电流可以扩大测量范围。
恒流源电路以电压基准为参考，通过精密电阻（1%的精度）分压得到约电压，再通过恒流源电路产生的激励电流。
本设计中用的直流稳压电源的工作框图如图2-10所示：
图2-10直流稳压电源的工作原理框图
Fig2-10Theworkingprinciplediagramofdcvoltagestabilizerpower
电流变压器：
将交流电网电压U1变为合适的交流电压U2；
整流电路：
将交流电压U2变为脉动的直流电压U3；
滤波电路：
将脉动直流电压U3转变为平滑的直流电压U4；
稳压电路：
清除电网波动及负载变化的影响，保持输出电压U0的稳定。
其电路原理图如图2-11[7]所示：
图2-11电源电路
Fig2-11Powersupplycircuit
性能指标：
1．三路直流稳压输出，两路固定，分别是+5V和+12V，另一路可调输出：
1。
5V～12V，通过R4的调节，我们让它输出电压。
2．电源指示采用绿色LED发光二极管，点亮时表示电路已通电工作。
3．输入为交流220V。
数字电路部分
2.3.1微处理器的选型
TI公司于2000年推出的MSP430系列单片机是一种超低功耗的16位Flash单片机，他们针对不同的应用而由不同的模块组成的。
成功的解决了功能强大又功耗低的难题，比较适合于便携式控制系统应用。
这些微控制器被设计为可用电池工作，而且可以有很长使用时间的应用。
MSP430系列单片机器件包含CPU、程序存储器（RAM）、运行控制、外围模块、振荡器和倍频器等主要功能模块。
他们具有16位RISC结构，CPU中的16个寄储器和常数发生器使MSP430微控制器能达到最高的代码率；
灵活的时钟源可以使器件达到最高的代码效率，数字控制的振荡器可以使器件从低功耗模块迅速唤醒，在少于6us的时间内激活到活跃的工作方式。
其基本结构如图2-12所示：
图2-12MSP430结构图
Fig2-12MSP430structuraldrawing
其中MSP430F系列具有FLASH存储器，不同型号单片机的存储器容量和外围模块各不相同，使用者可以根据需要具体选择。
MSP430系列单片机的迅速发展和应用范围不断扩大，主要取决于以下的特点：
1）强大的处理能力
MSP430F系列单片机，为16位的精简指令集结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；
大量的寄存器以及片内数据存储器都可以参加多种运算；
还有高效的查表处理方法；
有较高的处理速度，在8MHZ晶体驱动下，指令周期为125ns。
这些特点保证了可编制出高效率的源程序。
2）低电压、超低功耗
MSP430系列单片机为64引脚PQFP封装，芯片为1cm的正文形，体积很小。
能够实现在～、1MHZ的时钟条件下运行，耗电电流因不同的工作模式不同而不同；
具有16个中断源，并且可以任意嵌套，使用灵活方便；
用中断请求将CPU唤醒只要6us，可编制出实时性特别高的源代码，可将CPU置于省电模式，以用中断方式唤醒程序。
3）丰富的片上外围模块
MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设，其中的看门狗可以使程序失控时迅速复位；
比较器进行模拟电压的比较，配合定时器可以设计为A/D转换器；
定时器具有捕获/比较功能，可用于事件计数、时序发生、PWM等；
有的器件更具有
升级会员 