基于单片机的多功能呼吸监测仪的设计与实现.docx
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基于单片机的多功能呼吸监测仪的设计与实现
呼吸监测仪的设计
文/劉恆釗
摘要
呼吸是反映人体机能的重要参数,准确地测得人的呼吸信号,及时反映呼吸随时间的变化,对于临床医学有着重要的意义。
我们根据目前的技术及应用的发展方向,提出了一种以呼吸力学监测系统为基础,以PIC16F877单片机为核心,的设计方案,它可实时、连续、长时间的监测人的呼吸信号。
我们的工作研究了呼吸信号提取的整个流程,利用传感器将呼吸信号转换为电信号,经放大、滤波处理后,由单片机控制,送入计算机进行实时显示,并存储呼吸数据。
关键词:
呼吸信号;PIC16F877;串行通信;异步传输;MSComm控件
Thebreathisanimportantparameterthatreflectsthehumanbodyfunction,whichhasveryimportantreferencevalueinthelifewardofthehumanbody.wemeasureaccuratelytheperson'srespiratorysignalandreflecttherespiratorysignalwiththevarietyoftime,whichhavetheimportantmeaningfortheclinicalmedicalscience.Accordingtocurrenttechniqueanddevelopmentdirection,wedesignedandresearchedtheprojectofrespiratorymonitoringapparatusbaseonMCUPIC16F877.Itcansactuallytheperson'sbreathofmonitorofhour,consecution,andlongtime.Ourworkstudiedthewholeprocessthattherespiratorysignalwithdraws,andwemakeuseofsensortoconverttherespiratorysignalintoelectricsignal.Afteramplifyingandfiltering,therespiratorysignalissentintocomputertotherealtimeshowfromMCUcontrol.
KeyWords:
Respiratorsignal;PIC16F877;Serialcommunication;Asynchronoustransmission;MSCommcontrol
前言（1
1.设计意义及设计方案（2
1.1设计方案（2
1.2方案选择（3
2.系统设计原理及规格要求（4
2.1系统工作原理概述（4
2.3系统参数规格（5
2.4流量传感器规格要求及选型（6
3.信号采集与处理电路（8
3.1生物信号测量前置级要求（8
3.3呼吸信号采集（8
3.4压差的测量及其前置级放大滤波电路（10
3.5中间级处理电路（13
4.单片机信号处理及通信接口电路（17
4.1PIC16F877单片机的特点及模块介绍（17
4.2单片机串行通信电路（20
4.3数字信号处理核心部分电路（23
4.4PIC16F877单片机程序设计（24
4.5单片机主程序设计流程图及程序清单（28
5.WINDOWS操作控制平台的实现（31
5.1串口通信控件（31
5.2串行通信控件的使用（35
5.3计算机接收数据子程序（36
6.设计总结（39
致谢（40
参考文献（41
人体与外界环境进行气体交换的总过程,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CO2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。
近年来,随着新的医疗设备的出现与医疗技术的发展,机械辅助呼吸己引起了人们的关注。
以往由于呼吸监测措施的缺乏（如阻抗法、热敏法,只能测量呼吸率,不能反映呼吸通道的流量、压力和病人呼吸的气体容积等生理参数,不能为临床提供丰富的参考数据,从而在机械辅助呼吸过程中容易给病人带来气压伤、容积伤、循环紊乱及肺膨胀不全等不良作用。
购买国外提供呼吸参数监测功能的监护仪则价格昂贵。
目前病人监护仪正广泛应用于人们生活中,能够实现实时、动态、连续监护人体生理指标的监护设备就成为当前急需研究和开发的产品之一,以弥补国内监护仪设备这一块的空白。
我们提出一种呼吸监测系统的硬件电路设计和计算机通讯显示的智能分析系统,可以完成呼吸率、吸气呼气时间比、峰值流量、峰值压力、顺应性、潮气量和每分换气量等十多项呼吸力学参数的监测,可有效地指导呼吸机使用,确保病人安全且成本相对低廉。
该设备信号采集部分采样率高,单片机性能优良,工作程序稳定,且通过计算机控制,操作界面简单,便于数据处理和存储。
1.设计方案及方案选择
1.1设计方案
（1工作原理
模块工作时,将流量传感器接在病人和呼吸机的气道中。
流量传感器通过两个旁路与压差传感器l和压差传感器2连接。
当呼吸气流通过流量传感器时,流量传感器内部的限流装置会感应出其两侧的压力差,这个压力差通过气路连接由压差传感器l测得。
压差传感器1测得的压差将用于气道流量的计算。
压差传感器2的一个端口悬空,另一个端口接气道,用于测量气道压力。
时间将由采样引人。
这样呼吸力学最基本的三个量:
流量、压力和时间就可以获得,其他呼吸力学参数都可由这三个基本量计算出来。
（2系统工作特性
呼吸力学模块常用于临床中呼吸道的状态监测,适合于插管病人的呼吸监测。
同时也能对呼吸机的工作状态实现监测,确保病人的安全。
呼吸力学监测系统由硬件、软件、传感器和附件组成,共同完成呼吸通道中气道压力、流量和容积等参数的实时监测,从而计算和识别出呼吸力学参数,并以数字和波形方式显示相应结果。
（1工作原理
选用热释电传感器来监测呼吸信号,将热释电传感器固定在口鼻附近,呼吸气流辐射的能量到达热释电传感器后,传感器将受到的热辐射信号转换为电信号从而得到呼吸信号。
（2工作特性
热释电式呼吸监测系统运用了目前较为成熟的温度传感器系列产品,能较为有效的及时,但由于受环境温度限制,当环境温度与体表温度相近时,受到干扰较大,没有较强的适应性,不符合本设计原则。
（1工作原理
利用呼吸阻抗法原理,与心电检测共用胸部监护电极和前置放大器。
采用高频激励脉冲使呼吸波信号调制在其之上,然后对被调制信号进行解调、放大、滤
波,获得呼吸曲线,再通过波形变换转换出反应呼吸频率的数字信号。
心电信号经放大、滤波处理,一路供波形显示,另一路再经波形变换转为数字信号,便于心率提取。
（2工作特性
呼吸阻抗法运用四电极恒流式测量方法测量呼吸阻抗。
其测量方法是将高频恒流源通过一对激励电极加到人体,利用另一对检测电极检测出电流流经机体的电压降,这个电压降是经变化阻抗调制的;因此,通过对高频调制信号的检波、滤波和放大就可以获得随阻抗变化的呼吸波信号,同时通过胸电极可以得到心率信号的实时监测。
1.2方案选择
由于本设计中呼吸监护仪主要为医院以及部分家庭需实时监护的一些危重病人服务的,所以性能上需达到以下几点要求:
a.信号采集部分采样率高
b.单片机性能优良,工作程序稳定
c.良好的软件支持
d.友好简单的人机操作界面
连续长期的呼吸量测量具有重要的临床意义。
然而,除了插管的病人以外,用传统方法如呼吸速度描记器、热阻式速表及阻抗式呼吸监护仪进行长时间连续呼吸量监测很不方便,且阻抗式电极容易脱落,在监测过程中对病人可能会造成意想不到的意外。
而利用高灵敏度的气体压力传感器对呼吸功能测量和监护的技术可以避免上述缺点,这种方法方便、无创,更重要的是可以长期测量而不会给病人带来不便,这在手术病人及病房监护中具有重要意义。
所以,此次设计中,选择以呼吸力学监测系统为传感器信号采集系统设计思想。
随着计算机技术和医学自动分析技术的发展,监护仪逐步向智能化、微型化方向发展,单片机以其体积小、功能强、公耗低的特点在监护仪中应用广泛。
我们根据目前的技术及应用的发展方向,设计了基于MCUPIC16F877为基础的智能化较高的呼吸监护仪CPU的方案,它可实时、连续、长时间地监测人的呼吸功能。
2.系统设计原理及规格要求
2.1系统工作原理概述
本设计的目的主要是借鉴气体流量模块监测的原理,设计一种易于操作、人机界面友好,并能对病人呼吸力学参数进行实时准确可靠监测的模块,以便给医生提供监护及抢救指导,为评价病人的呼吸状态和正确使用呼吸机提供参老佑据,最大可能的挽救病人的生命。
本呼吸模块与监护仪通过串口进行通讯,并受到监护仪监控,同时借助于接在病人鼻息气道中的流量传感器对病人的呼吸生理参数进行监测。
用于麻醉手术室、重症监护室和急诊室等科室中对需要使用呼吸机进行辅助呼吸的病人进行呼吸状态监测,同时还能对呼吸机工作状态的进行监测,指导呼吸机状态的设置。
这个功能模块由硬件、软件、传感器和附件组成,共同完成呼吸通道中气道压力、流量和容积等参数的实时监测,从而计算和识别出呼吸力学参数,并以数字和波形方式显示相应结果。
图2-1系统设计原理总框图
其中硬件部分将由模拟电路、数字电路、压力传感器和相关电路组成,完成气路压力信号的放大、滤波、模数转换、数字信号处理和通讯等（需要借助于软件;软件部分将由主控、数据采集、通讯、数字信号处理、出错处理等子程序组成,完成电路状态监控、信号处理和相关控制、通讯等;传感器将由限流式流量传感器和双路气导管组成,完成气通道压力向呼吸力学模块的传递。
图2-2系统硬件工作原理图
2.2系统参数规格]1[
呼吸率RR（BPM、吸气与呼气时间比I:
E、第一秒呼气量FEV1.0（%、平均气道压力MAP（cmH2O、吸入潮气量TVi（ml、呼出潮气量TVe（ml、每分吸入换气量MVi（L、每分呼出换气量MVe（L、呼气末端正向压力PEEP（cmH2O、峰值呼气流量PEF（L/min、峰值吸气流量PIF（L/min、峰值吸入压力PIP（cmH2O、平台压力Pplat（cmH2O、动态顺应性Cdyn（ml/cmH2O,气道阻力RAW（cmH2O/（L/s,浅呼吸指数（RPM/L,负吸入压力（cmH2O,呼吸做功（J/L。
流量:
测量范围:
成人、小儿:
±（2~120L/min
新生儿:
±（0.5~30L/min
测量精度:
25mL/s或者读数的±10%,取较大值。
分辨率:
0.1L/min
气道压力:
测量范围:
-20.0~120.0cmH2O
测量精度:
读数的±3%
分辨率:
0.1cmH2O
每分钟唤气量:
测量范围:
成人、小儿传感器:
2~60L/min
新生儿:
0.5~15L/min
精确度:
读数的±5%
潮气量:
测量范围:
成人、小儿传感器:
100~1500ml
新生儿传感器:
20~500ml
分辨率:
成人、小儿:
1ml;新生儿:
1ml
呼吸率:
测量范围:
成人、小儿:
4~99BPM
新生儿:
10~99BPM
精度:
±2BPM
频率响应:
成人、小儿/新生儿不小于30Hz
2.3流量传感器规格要求及选型
流量测量范围:
成人、小儿:
±（2~120L/min
新生儿:
±（0.5~40L/min
测量精度:
25ml/s或者读数的±10%,取较大值。
分辨率:
0.1L/min
HAMILTON公司提供应用于成人/小儿和新生儿的流量传感器。
流量传感器可以为临床医生提供气路开口处的有用数据。
精确的容积、流量和压力数据提供了更好的病人病情评估。
流量传感器可以在湿气和分泌物的环境下可靠地工作。
事实上,流量传感器是一个空腔内的薄膜。
这层膜允许双向气流通过它的可变孔。
这个孔根据流速改变孔径。
随着流速增加孔径变大,在孔两边形成一个压降。
压差通过呼吸机内部的高精度微分压力传感器测量。
HAMILTON可重复使用的流量传感器提供病人呼吸回路精确的流量、容积和压力测量。
可变调节孔在潮湿和分泌物的情况下也可以提供精确的信号。
病人范围:
婴幼儿到成人
流量:
0-180L/M
死腔容积:
11ml
阻抗:
小于1.6mbar/l/s
重量（g:
11w/otubings,60total
连接器:
ISO15male-15male
材料:
PMMA管身,聚酯侧翼,PVC导管
准确性:
+/-25ml/s或读数的+/-10%（取较大值,无需校准
HAMILTON流量传感器符合本设计的技术要求。
流量传感器型号及相关资料如下图2-3所示。
图2-3PN155362压差与流量关系曲线
图2-4PN155500压差与流量关系曲线
图2-5PN155500压差与流量关系曲线
3、信号采集与处理电路
3.1生物信号测量前置级要求
生物医学测量基本属于弱信号测量。
一方面,反映生物体生理和生化变化的信号或参量大多是微弱的;另一方面,为了减少对生物体正常活动的干扰或防止对生物体的伤害,测量中总是尽可能地减少对被测量的取样数量,因而造成被测信号比较微弱。
所以,生物医学测量属于弱信号测量范畴,具有弱信号测量的共同特点]3[。
从生物体直接引导的电信号或经过换能器而间接得到的各种信号一般都是mV水平,有的甚至是uV水平,必须经过前置放大和滤波处理才能进行模数转换,从而采集获得正确的生理信号。
因此,生物信号放大器要求如下:
1.高输入阻抗
2.高共模抑制比
3.低噪声、低漂移
呼吸信号模块硬件的基本功能包括以下几个方面:
1.压差式流量传感器实现压力传递;
2.压差的测量及其信号的滤波和放大;
3.模块电路状态的实时监测;
4.流量传感器脱落报警电路;
5.零点校准的气路连接和三通阀控制;
6.为CPU提供预处理信号;
7.系统供电,用于从外界获得供电和进一步向模块提供各种工作电压。
3.2呼吸信号采集
呼吸是机体与外界环境之间进行的气体交换过程。
机体通过呼吸而不断从外界摄取氧并向体外排除二氧化碳,从而维持机体新陈代谢的进行。
呼吸波是肺部呼吸动作的容积变化,其特征表现取决于呼吸率和肺呼量等因素。
它与肺呼吸动作同步,而与心脏活动规律不相关,也不随肺部血液循环状况改变。
由临床实验知呼吸波的频率范围为0.1~l0Hz]3[。
外置压力传感器外观及封装如图3-1所示,该压力传感器通过通气管与流量
传感器直接连接,通过高精度的压敏元件,测量出流量传感器气道压差的变化,并实时的把压力信号传送到下一级放大滤波电路。
图3-1压力传感器外观及其封装图
模块工作时,将流量传感器接在病人和呼吸机的气道中。
流量传感器通过两个旁路与压差传感器l和压差传感器2连接。
当呼吸气流通过流量传感器时,流量传感器内部的限流装置会感应出其两侧的压力差,这个压力差通过气路连接由压差传感器l测得。
压差传感器1测得的压差将用于气道流量的计算。
压差传感器2的一个端口悬空,另一个端口接气道,用于测量气道压力。
时间将由采样引人。
这样呼吸力学最基本的三个量:
流量、压力和时间就可以获得,其他呼吸力学参数都可由这三个基本量计算出来。
图3-2流量采集电路原理框图
3.3压差的测量及其前置级放大滤波电路
关于压差的测量分为用于计算流量的压差测量和用于计算气道压力的压差测量。
（1压力传感器:
选用Nova公司压差传感器
型号:
NPC-1210-10WD3S
量程:
10英寸水柱（25.4cmH2O
满量程输出:
50mV
（2放大电路的增益要求
压力信号的放大电路采用两级放大,放大电路总的增益Au=Au1×Au2=179.7,激励电流1.45mA,50mV满量程输出放大后的电压为8.98V。
实际应用中,放大后的压力信号变化范围为:
0~3.3V对应的压力为:
0~9.3cmH2O。
根据流量传感器流量与压差的对应关系3.1cmH2O的压力对应120L/min的流量,故上述压力的测量范围可以满足使用要求。
（3第二级运放参考电压的要求
第二级放大电路采用差分运放电路。
用软件的方法实现负压测量,将第二级放大电路的参考电压抬高到当压力为零时放大电路输出电压为VADJ2=1.65V,对应的AD为2048。
下位机计算时将测量过程中的压力减去零点初值2048,相应地获得正负压力和流量测量。
根据流量传感器压力与流量的对应关系,要测量-120~+120L/min的流量,只需测得-3.1~+3.1cmH2O的压力。
当压力传感器监测到3.1cmH2O的压力时,放大电路输出的电压为1.1+1.65=2.75V。
当放大电路输出的电压为2.89V时,对应的压力值为3.5cmH2O,对应150L/M的流量。
故用软件实现的上述方法可以满足实际测量正负流量的需求。
（4通频带的要求
采用无源滤波器,截止频率不小于30Hz。
（1压力传感器:
选用Nova公司压差传感器
型号:
NPC-1210-001D3S
量程:
1psi（70.3cmH2O
满量程输出:
75mV
（2信号放大电路的增益要求
压力传感器在激励电流1.5mA时,量程为70.31cmH2O。
适当减小压力传感器的激励电流可以扩大测量范围,将激励电流减小为0.73mA时,则量程可扩大到144.14cmH2O。
因为A/D变换的参考电压为3.3V,压力传感器的额定满量程输出电压为75mV,为了得到较为平滑的压力波形,放大电路的整体放大倍数在36.5。
这样当压力传感器满量程输出时,气道压力的模拟信号电压是2.738V。
所以0~2.738V的电压变化对应0~144.14cmH2O的压力变化,满足-20~+120cmH2O的压力测量范围。
3第二级运放参考电压的要求
用软件的方法实现负压测量,将参考电压抬高为28.9cmH2O压力时对应的电压0.55V,转换后读数为683。
将测量过程中的压力减去零点初值683,相应地可以实现-20~+120cmH2O的压力测量。
通频带的要求
4通频带的要求
采用无源滤波器,截止频率不小于30Hz。
由于通用放大器一般都具有毫伏级的失调电压及数微伏/C°的温度漂移。
为此,通用运算放大器不能直接用于对微弱信号的放大,而仪器放大器可以较好地实现此功能,能够较好地抑制包括工频、静电和电磁藕合等共模干扰。
仪器放大器是一种具有精密差动电压增益的放大器件,由于其具有高输入阻抗、低输出阻抗、低漂移、高共模抑制能力、低失调电压、高稳定增益等诸多特点,使其广泛作为微弱信号检测系统中的前置放大器。
（1前置级放大电路电路原理图如图3-3
图3-3前置级放大电路电路原理图
（2器件选择
根据呼吸监护仪的前置放大器的需求,对前置放大器的输入阻抗、输入噪声、输入失调电压等要求比较高。
我们选择AD620作为前置放大器。
AD620是单片的低功耗、高精度仪表放大器。
它在传统的三运放方式的基础上作了一些改进,一是采用绝对值的校准,使用户仅需要一个电阻就能对增益进行准确的设定;二是单片结构和激光校准使电路元器件的匹配和跟踪特性都非常好,保证了该电路固有的高性能]4[。
AD620由于体积小、功耗低、噪声小及供电电源范围广等特点,使AD620特别适宜应用到诸如传感器接口、心电图监测仪、精密电压电流转换等应用场合]4[。
AD620封装及引脚图见3-4所示。
图3-4AD620封装及引脚图
其主要特性为:
①仅需一个外接电阻即可获得1~1000内的增益,使用方便
②工作电源电压范围极宽,士2.3V~士18V
③低功耗,最大电源电流仅1.3mV
④最大输入失调电压125uV
⑤最大输入失调温漂1uV/C°
⑥最小共模抑制比为93dB（G=10
⑦低噪声,输入电压噪声9nV
3.4中间级处理电路
中间级处理电路分为带通选频网络、二级放大电路、50Hz陷波器和增益调节电路等。
带通选频网络由RC无源网络组成,简单可靠,通带的最大范围设定为0.05Hz~100Hz。
根据个体的差异,网络可由数字控制电路进行不同频带的组合来选择,以符合最佳的信号状态。
二级放大电路在结构上和增益调节电路类似,都是由运放接成电压负反馈的形式。
前者进行信号的放大,而后者控制整体电路的增益,最大可达120dB。
其结构示意图如图3-3所示。
这里,运算放大器选用OP27,而且运用电压串联负反馈结构。
其优点是结构简单,具有如下不可替代的优越的性能:
（1输入等效阻抗大,Ri=（1+AFidr,输出等效阻抗小,Ro=or/（1+AF,其中,idr为运放的输入阻抗,or为输出阻抗。
不仅完成了信号的放大作用,而且还起到了缓冲器的作用,有效地隔离了前后级的模块,不用额外增加阻抗变换器和匹配模块;
（2电容C的使用使整个模块具有了低通的功能,不仅可以去除信号中的高频干扰,还由于其超前补偿作用,对有效信号中的高频部分进行了相位补偿。
通过合理的设计,电路频率段的相位将变化平缓。
上位提及的心电信号是一种类脉冲形状的信号,信号形状不发生明显的畸变,在对其进行时域处理时有着积极
的意义。
如图3-5中的二极放大倍数为A=1+RF/R1=2。
图3-5二级放大电路及增益电路
50Hz工频陷波器采用典型的有源双T陷波网络的方案,取Q=2.5,可有效去除信号中的工频干扰。
其结构示意图如图3-6所示。
图3-650Hz陷波器电路
流量传感器监测电路用于监测流量传感器是否脱落或连接不当,以避免错误的测量。
流量传感器的正确连接是保证模块正常测量的前提。
为了防止连接错误或测量过程中的脱落,设计一个监测报警电路是必须的。
流量传感器监测电路的作用等效于一个开关。
当流量传感器正常工作时,相当于开关时闭合的,监测点测到的时低电平。
如果流量传感器脱落相当于开关打开,监测点测到的是高电平,上位机要报警提示。
流量传感器监测电路采用DVCC作工作电源,取100K和1K的分压电阻,另外1K的电阻还组成一个RC滤波,保护CPU的输入引脚。
监测电路如图3-7。
图3-7流量传感器脱落监测电路原理图
呼吸监测系统的电源电路主要有如下部分:
（1+12V系统输入电源（网络标号VCC,电路图如3-8。
图3-8电源电路原理图
（23.3V数字电路电源（网络标号DVCC。
利用LDO线性稳压器SPX5205产生,输入+5V电源,输出最大150mA电流,实际约80mA电流。
（33.3V数字地（网络标号DGND。
（45V模拟放大采样电路电源（网络标号AVCC。
利用LDO线性稳压器MIC5205产生,输入为+12V,输出最大150mA电流,实际约30mA。
（55V模拟放大采样电路的模拟地（网络标号AGND。
（612V三通阀的驱动电路电源地（网络标号SGND。
（711.3电源（网络标号11V3
利用一个0.7V的二极管1N4148从12V电源中分出一个11V3的电源作为运放6482和MIC5205的工作电压和输入电压,输出电流最大150mA。
说明:
注意注意:
:
在布PCB时要注意数字地DGND和模拟地AGND、SGND要一点接地。
4.单片机信号处理及通信接口电路
4.1PIC16F877单片机的特点及模块介绍
图4-14
升级会员 