呼吸末二氧化碳模塊設計

【摘 要】本文著重運用電子電路、單片機應用和通信協議等知識完成對呼吸末二氧化碳濃度檢測模塊設計，組成由二氧化碳檢測到上位機通信的檢測系統，并通過調試測試能兼容醫療設備，具有良好效果的設計。

【關鍵詞】二氧化碳；傳感器；電子電路；通信

一、系統原理

本系統是利用AVRmega-64高速單片機構成一個基于呼吸末二氧化碳濃度檢測系統，用戶對著經過濾棉的進氣口呼吸，抽氣泵開始工作、抽氣，呼吸氣經二氧化碳傳感器、流量閥抽氣泵至大氣，其中二氧化碳傳感器檢測出二氧化碳濃度參數、壓力參數，通過溫度和壓力補償，信號量進入數字濾波電路出去雜亂信號干擾，經過電壓跟隨電路完成前后級隔離干擾，最后模擬量通道送入單片機內置A/D轉換，壓差反映呼吸流量參數、壓力參數做波形分析和導出各種呼吸力參數，校零時，通過三通閥連接大氣，以當時人所在環境大氣作為零點參數。此時，所得的數據通過一定波特率傳送上上位機結合特定軟件顯示出來人的呼吸率、大氣壓、二氧化碳變化實時曲線等易觀測數據，當人的各項參數偏離正常值時，上位機進行報警提示，構成一個由二氧化碳檢測到上位機通信的典型檢測系統。

二、系統特點

（一）單片機資源豐富

AVR 系列中Mega64是一款高性能、低功耗，采用先進RISC精簡指令，易實現各種擴展功能具有1MIPS/MHz的高速運行處理能力；同時采用低功率，內部分別集成Flash， EEPROM和SRAM三種不同性能和用途的存儲器。

（二）實時數據通信快

通過外圍電路對二氧化碳傳感器的信號進行一系列處理，由單片機內部A/D轉換，采集實時數據，所有程序采用匯編編寫，對于實時性有了很大提高，經過特定的通訊協議，高傳輸速率，實現對二氧化碳的實時監測，完成對二氧化碳濃度、大氣壓、呼吸率等各種參數的上位機顯示。

（三）電子電路典型

對于二氧化碳傳感器采集的信號，經過壓力差分放大，電壓隔離，阻容濾波等進入單片機，綜合了專業各方面基礎知識。尤其對于二氧化碳信號量呈現反比例特點，采用和差放大電路，更是本系統的設計亮點。

1.電子元件選擇

采用貼片式元件 手工焊接技術工藝要求高，但體積小，占用電路板小，方便設計小功率電路，貼片的優勢就是全自動化流水線作業，產能高、精度高，而且貼片電容在運輸途中不像插件式那樣容易受損，適用于大規模生產。

2.二氧化碳傳感器選擇

采用美國專業生產呼吸系列產品的公司——CardioPulmonary Technologeies.Inc。該公司最新開發的獨有的新型傳感器件，在溫度環境，壓力環境等方面的適應性遠遠高于傳統產品，先進的技術，先進的質量無需預熱，快速反應小尺寸，低功耗——適用于包括插件式監護儀的各類監護系統，適應各種環境高度自動化的檢測系統，完備的備件。

3.流量、壓力信號獲取選擇

采用美國專業生產呼吸系列產品的公司——CardioPulmonary Technologeies.Inc生產的EZ-FLOW氣體流量傳感器。該傳感器對于空氣、氧氣及笑氣的流量測量范圍廣，靈敏度高，精度好，適用于醫療系統中病人呼吸末氣體的流量監測，零點穩定度高；；全量程高穩定性、高精確度和優良的重復性。與流量閥配套使用，在其閥前、閥后產生的壓差可以反映流量信號，通過壓差傳感器檢測出對應流量的電信號。

4.信號放大電路選擇

采用運算放大器電路是傳感器信號處理的典型應用放大電路。運算放大器信號輸入輸出功率很小，增益很大，通常位于電路的前端。根據信號的正負和幅值等情況進行不同的放大，以達到微弱電信號輸入，單片機可識別的電壓輸出。運放帶負載能力弱，輸出電流相對小，輸出內阻相對大。主要用與弱信號的放大。

三、設計及實現

為了更好地設計二氧化碳模塊與實際使用醫療設備更兼容，需要設計一些輔助電路，使得加進的模塊不影響設備的正常工作，增加了電源啟動延時電路、差壓放大電路、泵調速電路，以輔助主干電路可以正常工作，具有更準確數據，更強的兼容性，更優的控制。

（一）電源模塊與各模塊的聯系

對電源模塊采取了延時啟動設計，電源模塊為各個模塊提供源源不斷的動力，如下圖所示，以保證各模塊之間的電流分配恰當。

（二）信號模塊與各模塊的聯系

信號采集是這個二氧化碳模塊設計的原材料，為CPU處理模塊提供外界數據的參考，這一部的數據采集，影響到CPU處理結果的正確與否，更進一步影響到上位機顯示結果的正確與否，材料的對與錯，直接影響二氧化碳濃度、壓力參數、呼吸頻率等參數的準確性。

（三）CPU模塊與各模塊的聯系

CPU模塊是這個二氧化碳模塊設計的大腦，負責支配各個模塊的運作。對于數據的運算、處理、發送，都在于此模塊，沒有這一部分，整個系統就相當于一個沒有腦袋的人，將是一個癱瘓的系統。

（四）通訊模塊與各模塊的聯系

通訊模塊是連接下位機與上位機的通訊，也是“產品”向外傳送到目的地的重要環節。通過特定的協議傳送由信號模塊采集與CPU模塊處理的數據，是承接信號數據與上位機通信的紐帶和運輸工具。

四、技術難點突破

（一）兼容問題

由于加進二氧化碳檢測模塊后，上位機設備通訊出現死機、參數不準確現象。也就表明了檢測模塊與設備的不兼容性，主要由于電壓、電流分配不均導致的。對于怎樣啟動才不影響設備的穩定性，嘗試了很多次，發現了只要檢測模塊延時一點在啟動，整個呼吸機設備可以正常運行，所以我們設計了電源延時啟動檢測模塊，以達到系統的穩定性和兼容性問題。

（二）信號問題

二氧化碳傳感器，采用外國進口，發現隨著濃度的升高，輸出電壓值反而下降。如果直接采用放大，是不能實現數據處理的，而且電壓值只在3-4V之間波動，如果電壓值太高，采樣起來數據直接發送會出現零點值升高的問題。所以我們采用了和差電路，很好地解決了濃度升高，電壓下降和零點值的問題。

（三）數據問題

由于數據采集總遇到尖峰干擾嚴重問題，采取了限幅濾波方法，雖然還是具有小毛刺，數據不呈現規律明顯的變化。所以在原來限幅基礎上，采用了平均值方法，效果還算接近理想。但發現波形顯示時還是出現比較小的毛刺，對于這個問題，也許真的是濾波方面出現連個采樣值的變化問題。經過反復的嘗試和穩定輸出的嘗試，最后采用加權濾波，技術難點突破了，波形十分圓滑，接近完美。

（四）參數轉換問題

浮點數的轉換，而且與上位機通訊具有特定的協議，最關鍵一點這次由于數據實時性比較高，需要匯編來編程。這就是為了實時性更高，但浮點數的轉換卻給了我不少難題，又要快，又要編程量小。采集了一連串數據，反復地揣摩，發現了只要一個數據段，對應的采樣值還是一個值，所以我們采用線性插值的方法進行轉換，這對于匯編來說，是很簡單地實現的。

（五）發送問題

與上位機通訊，全部參數和指令需要在一個10毫秒時間段完成，才可以將所有參數完整的發送出去，這對于信號采集、浮點轉換、波形識別等一連串的程序具有死死的規定，就不能完成10毫秒的任務。但是最后發現，采取一個大定時段夾雜多個小定時段去執行不同的小任務，是可以足夠時間完成的。

六、總結

經過系統的設計與調試，模塊很好地與進行通訊，而且檢測信號優良，波形顯示沒有出現毛刺的效果，能實現在一般醫療儀器上的兼容。

作者簡介：羅偉斌（1986-），性別：男，籍貫：廣東四會，本科 職稱：無 自動化。

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