肺活量测量仪docx.docx

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引言

随着社會经济的繁荣，周休二日的实施，人們的生活方式有了重大的改变。

加上人口日趋高龄化，随之而起的健康养生意识逐渐受到大家重视。

运动成為生活的一部份，因此『终身运动』成為全民所关心的重大议题。

终身运动的提出必然带动体质测量仪的发展。

肺活量测量仪是体质测量仪中的一部分，当然也不例外。

肺活量在一定意义上反映了呼吸机能的潜在能力。

测量肺活量，可判断健康人呼吸机能的强弱、某些呼吸机能减低的性质和程度以及疾病恢复后的劳动能力。

肺活量测量仪中普遍使用气体压力传感器来进行测量。

无论从精度还是从可靠性方面，气体压力传感器做得都比较好。

利用气体压力传感器检测即迅速，方便，计算简单，又易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到相应的要求。

用气体压力传感器测量肺活量具有下述突出的优点:

气压传感器体积小，精度高，受外界干扰影响较小；价格较低，降低了整机的成本。

目前国内一般使用气体压力传感器来设计肺活量测量仪,同时也有通过气体流量传感器来实现肺活量测量仪的设计。

但是气体流量传感器成本较高。

本文中所讨论的肺活量测量仪由于使用了价格较低的ATP015G气体压力传感器及单片机，并且可通过RS232与上位机进行通信，将所测得的数据直接传送至上位机。

实现液晶显示、语音播报、并由上位机进行处理等功能。

具有价格低、直观、使用方便的特点。

因此具有广泛的发展前景。

1绪论

1.1本课题的研究意义肺活量测量仪在医疗部门以及学校等地方应用广泛，实现智能化、高精度、便携化是肺活量测量仪现在的发展方向。

随着单片机、微电子、传感器、总线接口等高新技术的迅速发展，肺活量测量仪的研制有了长足的进步，以适应越来越高的应用要求。

目前，市场上的肺活量测量仪功能各有所长，价格差异也较大。

从价格和功能上比较，国内和国外产品存在较大的差异:

国外的肺活量测量仪，功能较全，精度较高，但价格比较昂贵；而国内产品其功能和精度相对较低，但价格自然相对便宜。

1.2本课题的发展现状

根据肺活量测量仪的结构分为：

电子肺活量测量仪和非电子简易肺活量测量仪两大类。

1.2.1电子类肺活量测量仪

主要通过气压传感器或者气体流量传感器来对肺活量进行测量。

随着全民健身计划的提出以及《学生体质健康标准》试行方案的出台，市场上对肺活量计产品的需求量越来越大.然而中国的体质检测仪器与国外相比还比较落后，如肺活量计还沿用三十年前的机械式产品。

市场上急需一种可以替代现有产品的便携式电子肺活量计。

1.2.2非电子类肺活量测量仪

不通过传感器以及其他电子元器件，而是由一些生活中容易取得的材料例如带盖儿透明塑料桶（如装金龙鱼食用油的塑料桶，5升；或鲜橙多塑料瓶，2升），60~80长的乳胶管，玻璃管等材料制作简易的肺活量测量仪。

其原理为：

肺活量是指一次深吸气后的最大呼出的气体容积。

由于人体呼出的气体密度比水轻，在水中会上升，所以可以用“排水法”制作简易肺活量计。

在塑料桶中装满水后倒过来放在水中，通过导管向桶内吹气，利用气体上升把桶底的水排出、水受重力自动向下流而水面下降的原理，可以进行肺活量测量。

人体吹出气体的体积，就是桶内被排出的水所占的体积，即桶内被排空部分的容积。

虽然比成百上千元精密的肺活量仪便宜且容易实现，但其缺点是不够精确不够智能化，无法实现显示以及语音播报等功能。

1.3本课题的发展趋势目前肺活量测量仪的种类并不是很多，所以客户的选择相应也不多。

在传感器、微电子等高新技术的支持下，肺活量测量仪向着智能化、高精度、能与电脑通信等方面发展。

1.4智能肺活量测量仪研究目的及其可行性当前的电子肺活量测量仪虽有液晶显示以及语音播报功能，有足够的精度，但在人工读取并记录数据时效率并不高。

而非电子类肺活量测量仪，在人工记录测量结果时存在误差，且无法实现与上位机的通信以及显示和语音播报等功能。

智能肺活量测量仪除了可以实现液晶显示和语音播报等功能外，还可与上位机进行通信，提高了效率，更加适合在学校中应用。

1.5课题的主要研究工作和各章内容安排本课题主要研究肺活量测量并与上位机通信的问题，由于关键问题在通信上，所以必须对单片机与上位机间的通信有一定的研究，以及如何实现，实际上整个课题的难点就在于单片机与上位机间的通信上。

各章内容安排：

第一二章两章主要是基础理论知识的介绍。

主要有本课题的研究意义、肺活量的相关理论知识以及简要的分析了一下所用到芯片相关理论知识；第三章主要从总体方面分析系统的设计以及用到的相关原理；第四章是本次系统设计的硬件电路设计部分，详细分析了每一模块的原理、功能、相关原理图以及元件和参数的选择；第五章系统的软件部分设计，分模块介绍显示功能的软件编程；第六章主要讲述了误差的分析情况；最后是主要是总结和参考的文献。

2相关技术和基础理论介绍

2.1肺活量测量相关概述

2.1.1肺活量

肺活量是指一次尽力吸气后，再尽力呼出的气体总量。

肺活量是一次呼吸的最大通气量，在一定意义上可反映呼吸机能的潜在能力。

成年男子肺活量约为3500毫升，女子约为2500毫升。

壮年人的肺活量最大，幼年和老年人较小。

健康状况愈好的人肺活量愈大，肺组织损害如肺结核、肺纤维化、肺不张或肺叶切除达一定程度时都可能使肺活量减小；脊柱后凸，胸膜增厚，渗出性胸膜炎或气胸等，也可使肺扩张受限，肺活量减小。

因此，肺活量明显减小是限制性通气障碍的表现。

由于肺活量的测定方法简单，重复性较好，故是健康检查常用的指标。

测定肺活量因不限呼气的速度，而测不出呼吸道通气不畅的疾病，因此采用时间肺活量测定法，作为肺功能的动态指标较为理想。

时

间肺活量就是最大吸气后用力作最快速度呼气，直至呼完为止。

同时分别记录第1、2、

3秒末呼出的气量。

正常人应分别呼出其肺活量的83%、96%和99%。

患肺阻塞性肺

部疾病者往往需要5〜6秒或更多时间才能呼出全部肺活量；呼吸运动受限的许多病理状态下，第1秒时间肺活量增加，并可提前呼完全部肺活量。

所以，时间肺活量可作为鉴别阻塞性或限制性通气障碍的参考。

2.1.2气压传感器

气压是作用在单位面积上的大气压力，即等于单位面积上向上延伸到大气上界的垂直空气柱的重量。

气象上使用的所有气压表的刻度均应以hPa分度。

在标准条件下，

760mmHg的气压等于1032.25hPa压阻式气压传感器的原理是大气压作用于覆盖有抽空的小盒的敏感元件上，通过它电阻受到压缩或拉伸应力的作用，由于压电效应，电阻值的变化与气压成正比。

2.2通过气压传感器测量肺活量的原理

将气压传感器置于已知截面积的细管中，在被测量者向管中吹气时，便可通过各时

刻的气压与流速的关系得出相应的气流速，再结合测量时间计算得出气体总流量。

测量的原理框图如下：

K\

气体压力〉气体流速〉气体流量

//

图2.1

2.3数据采集

计算机内部能识别的是二进制的数字信号，因此输入计算机的信号必须转换为离散的数字信号，即将连续的模拟信号转换为离散的数字信号。

模拟的非电量（电流、电压）必须先通过传感器，把非电量的模拟信号，如湿度、温度、压力、流量等模拟量转换为电信号。

2.3.1A/D转换器

微型计算机只能对以二进制形式表示的信息进行运算和处理，运算和处理的结果也

只能是这种数字量。

但在各种自动测量、采集和控制系统中遇到的变量，时间上和幅度上大多是连续变化的物理量，即模拟量。

比如用计算机对导弹、卫星的飞行过程进行监视和控制时，被监控对象大都是电压、电流、角度、速度、位移、温度等模拟量。

这些模拟量并不能直接被计算机所认识和接收，必须先把它们变成计算机能认识的二进制数字量，这个过程叫做模拟/数字转换，完成这种转换的装置则被称为模/数转换器

（AnalogtoDigitalConverter），简称为A/D转换器或ADG由于A/D转换是将数字计算机应用于生产过程、科学实验和军事系统以实现更有效的自动控制的必不可少的环节，因此如何实现A/D转换器与计算机的接口也就成为计算机控制系统设计中的一项十分重要的工作。

A/D转换器是指将模拟电压信号进行量化、编码，转换为n位二进制数字量信号的电路。

根据A/D转换原理和特点的不同，可将ADC分成两大类：

直接ADC和间接ADC直接ADC是将模拟电压直接转换成数字代码，比如有逐次逼近式ADC计数式ADC并

行转换式ADC等；间接ADC是将模拟电压先变成中间变量，如脉冲周期、脉冲频率、脉冲宽度等，再将中间变量变成数字代码，常用的有单积分式ADC双积分式ADC等。

2.3.2A/D转换的基本原理

连续的模拟信号转换为离散的数字信号必须经历的四个过程：

采样一保持一量化一

编码。

前两步在采样保持电路中完成，后两步在ADC电路中实现。

（1）采样过程

采样就是周期性地读出或者测量一种连续信号。

测量的周期称为采样周期Ts,采样周期的倒数称为采样频率fs=1/Ts，Ts称为采样时间。

（2）保持过程

采样输出的信号在采样时间内是连续的模拟量，其幅度值为连续的，为使采样过后

的信号的幅度变为有限值，同时采样到某一时刻的信号值，因此引入保持过程，即在保持状态下电路的输出保持着前一次采样结束时刻的瞬时输入模拟信号，直至进入下一次

采样状态为止。

采样定理：

为使采样输出信号fs（t）能完全恢复连续信号f（t），包含任何干扰在内的信号f（t）的最咼有效频率奈奎斯特频率fH必须小于米样频率fs的一半；或者说米样频率fs至少是信号频率fH的两倍。

用如下公式表示：

式2.1

采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。

这种信号畸变

叫做混叠（alias）。

出现的混频偏差（aliasfrequency）是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。

（3）量化过程

因为二进制代码的位数是有限的，只能代表有限个信号电平，故在编码成计算机能

识别的二进制之前，必须对采样信号进行量化，即把采样信号的幅值与某个最小单位的一系列整倍数比较，以最接近于采样信号幅值的最小数量单位倍数来代替该幅值，这一

过程称为“量化过程”。

（4）编码过程

模/数转化的最后阶段是编码，就是把量化信号的电平用数字代码来表示，编码有多种形式，最常用的是二进制编码，即用1和0所组成的n位数码来代表量化电平。

数码的最左边的位叫做最高有效位，简称最高位，用符号MSB（MostSignificantBit）

表示；数码的最右边的位叫做最低有效位，简称最低位，用符号LSB（LeastSignificantBit）表示。

编码因为实际问题的模拟电平极性不同有两种方式，即单极性编码和双极性编码。

二进制分数码是一种单极性编码，这种编码的原理如下：

一个十进制数D的量化电平可以表示如下式所示：

n

l1a1a2an

D-ai22...n

i_±222

-式2.2

ai或为0，或为此D的值是一个小数

1,所以D的值就是所有非0位的值与它的权值积的累加和，因

。

一个模拟信号采样转换的结果可以表示如下式所示：

式2.3

式中，U0是A/D转换器模拟输出电压，FSR是满量程，n为量化器的位数

2.4串口通信

2.4.1串口通信简介

在计算机系统中，CP与外部通信的基本通信方式有两种：

并行通信，数据的各位同时传送；串行通信，数据一位一位顺序传送。

在并行通信中，数据有多少位就需要多少条传送线。

而串行通信只需要一对传送线，故串行通信能节省传送线，特别是当数据位数很多和远距离数据传送时，这一优