智能低氧呼吸訓練裝置自動監測與控制系統設計

薛加鵬， 蔣全勝， 江明明， 丁桂洋

(蘇州科技大學機械工程學院，江蘇 蘇州 215009)

智能低氧呼吸訓練裝置自動監測與控制系統設計

薛加鵬， 蔣全勝， 江明明， 丁桂洋

(蘇州科技大學機械工程學院，江蘇 蘇州 215009)

針對在平原地區模擬高原低氧環境訓練的需求，提出了一種低氧呼吸訓練裝置控制系統。基于LabVIEW平臺，對訓練環境的氣壓、溫度和含氧量等參數進行采集和運算，實現了對訓練數據的實時記錄和顯示；采用位置式PID算法對系統參數的變化進行整合，進一步提高了控制精度。結果表明，該裝置能夠模擬高原不同海拔低氧環境，實現參數自動調節與控制，具有較好的應用價值。

智能； 控制系統； 傳感器； PID算法； LabVIEW； 人機界面

0 引言

低氧呼吸訓練能夠挖掘運動員的機體潛能，也可以對手術病人進行術前適應訓練，從而降低病人的手術風險。另外，高原作業者(如登山員、高原鐵路建設工人)可以通過低氧訓練，適應高原的惡劣環境[1-2]。本文設計的呼吸訓練裝置是一種低氧訓練或醫用的低氧供氣系統，能夠在平原模擬貧氧的高海拔山區環境。該裝置利用LabVIEW平臺作為上位機，實時監控調節采集的數據；采用單片機作為下位機，單片機和計算機采用串口雙向通信[3-5]。

本裝置是將加壓的清潔空氣通過膜分離單元過濾部分氧氣，得到貧氧空氣供訓練者使用，是一種物理式的低氧發生系統。設計的控制系統根據對訓練環境的氣壓、溫度和含氧量等參數進行采集和運算，以穩定輸出滿足不同海拔高度要求的產品氣供用戶使用。

1 低氧呼吸控制系統方案設計

1.1 工作原理

首先，外部空氣通過初步過濾進入空氣壓縮機進行加壓；然后通過精細過濾，去除油、水蒸氣、細小灰塵等雜質，進行壓力控制，同時通過加熱器適當提高氣體溫度，進入膜分離單元進行氮氧分離，得到貧氧富氮的空氣；最后輸出給呼吸面罩，供用戶使用。該裝置系統工作原理如圖1所示。

當用戶打開面罩(或直接啟動系統開關)時，流量控制閥根據需要對輸出的氣體流量進行控制調節。

圖1 裝置系統工作原理圖

1.2 控制方案

控制方案采用單片機作為下位機，LabVIEW平臺作為上位機。單片機通過串口電路MAX232轉換之后，能夠和計算機進行雙向通信。計算機既可以通過單片機接收采集的信息，又可以發送指令控制單片機調節溫度和壓力。該控制系統示意圖如圖2所示。

圖2 控制系統示意圖

系統的總控制電路包括溫度控制單元、壓力控制單元和串口電路三個主要部分。串口通信電路采用MAX232轉換之后，實現單片機和計算機之間的數據通信。

1.3 壓力控制

采用PI比例積分調節電路控制外部繼電器的閉合，實現對壓力閥的控制。壓力控制電路中，R12連接ATMEGA16單片機的PC2端口，壓力傳感器分別連接ATM單片機的PA5和PA7端口。當R12連接的單片機引腳通電時，控制電路接通。根據PI調節電路進行適當的調節，控制外部壓力閥繼電器的閉合，最終實現對系統氣體管道中壓力的精確調節和控制。壓力控制回路如圖3所示。

圖3 壓力控制回路

圖3中，采用壓力控制回路能夠及時調整參數，傳感器實時檢測的壓力參數，通過單片機上傳到LabVIEW平臺。經過LabVIEW參數的運算，發出對壓力控制的調整指令。通過單片機把指令傳送到執行元件壓力傳送器，即可實現對壓力的回路控制。

1.4 溫度控制

系統采用兩個DS18B20溫度傳感器，分別連接在單片機的PB5和PB7引腳上。傳感器的VCC引腳接+5 V，GND接地。DQ通信接口引腳， 因此該傳感器只需要一根連線就可以和單片機通信。單片機通過通信接口，連接傳感器讀取數據。該傳感器的精度滿足系統對溫度采集的準確性需求。溫度控制回路如圖4所示。

圖4 溫度控制回路

溫度加熱電路采用脈沖寬度調制(pulse width modulation,PWM)技術。當U5接通時，加熱電路接通。連接的單片機引腳通電，U5中的發光二極管導通，在一旁的光敏電阻接收到光線，則光敏電阻導通。此時加熱電路接通，并且加熱絲開始工作。利用U5可以實現光電隔離保護電路的作用。加熱電路是高壓電路，而控制電路是低壓電路。采用U5實現電路的隔離，可起到保護作用。

2 LabVIEW平臺設計

2.1 人機界面設計

系統主界面主要分為四個部分：顯示區、設定區、記錄區和警報區。

利用波形圖表顯示控件時刻監控含氧量的變化趨勢，同時記錄數據。點擊歷史記錄按鈕，可以將檢測的實時數據寫入表格，以便后期的科學研究和數據查詢。點擊查詢數據按鈕，可以自動調出已經記錄的數據，并且能夠生成波形圖表，以便操作者直觀地觀察數據的變化趨勢。

PID控制單元是嵌入在主面板的子VI，能夠獨立運行。本軟件的設計以壓力PID控制為例，采用精確的PID控制算法，以獨立的VI程序對采集的溫度信息進行數據處理，并利用實際值和預設理論值的偏差對壓力進行精確、有效的調節。

2.2 模擬海拔高度設定

基于LabVIEW平臺，開發了模擬海拔高度的模塊。用戶可以方便地設定所需海拔高度，系統會自動計算出相應的氣壓、含氧量和溫度等參數。

系統需要確定模擬海拔高度的氣壓、氧氣含量和溫度等環境參數。平原地區的平均大氣壓一般為101 kPa。

高海拔地區的氣壓計算公式如下：

(1)

式中：P0為標準的大氣壓值，P0=101 kPa；P為要求的大氣壓強；H為模擬的海拔高度。

氧氣含量也可以通過以下公式進行計算：

(P0-6.2)×CO2=(P-6.2)×20.9%

(2)

式中：P0為標準的大氣壓值，P0=101 kPa；P為要求的大氣壓強；CO2為要求的氧氣含量值。

3 壓力PID控制

基于比例-積分-微分(PID)算法的控制器是目前應用最為廣泛的工業用控制器之一，其在航天、冶金、機械等行業中的應用十分廣泛[6-8]。

PID控制器的原理是計算實際測量值與設定的需求值之間的偏差e，進行相應的PID運算后將結果轉化成輸出控制信號，進一步施加到執行機構上，以實現對整個系統的實時閉環控制。其優勢是控制精度較高，對外界數據的變化量反應迅速、控制準確有效。

PID的函數表達式為：

(3)

轉換成傳遞函數為：

(4)

式中：Kp為比例環節的系數；Ti為積分環節的時間常數；Td為微分環節的時間常數。

設u(k)為第k次采樣時刻控制器的輸出值，采用位置式PID算法的公式為：

式中:k為采樣的次數；e為偏差值；u為輸出；Kp、Ki、Kd分別為需要在界面設定的比例系數、積分系數和微分系數。

本控制系統主要通過LabVIEW軟件平臺，采用LabVIEW內部函數對參數進行數據算法的運算和調節。在軟件編程上，通過采集每個時間段上的數據并和設定值進行比較，計算出偏差值。通過LabVIEW循環結構中的移位寄存器，記錄每次比較的偏差值，代入下一循環進行參數的運算。

系統壓力PID控制效果如圖5所示。

圖5 壓力PID控制效果示意圖

程序設計中，將位置式PID計算公式編程寫入程序的數據流中，實現及時調整和修正運行參數的目的。同時，通過循環結構中的移位寄存器，將累計的偏差e和累計積分保存到下一個循環中，實現了公式中e(k)-e(k-1)和累計積分的運算。

4 結束語

本文從低氧呼吸訓練領域的市場需求出發。設計了一種用于低氧呼吸訓練或低氧保健醫療的智能化控制系統。系統基于LabVIEW平臺開發環境，運用G語言的圖形化編程，對管道空氣的氣壓、溫度和含氧量等參數進行采集和運算，實現了系統參數的實時自動調節；通過單片機控制技術，以及PID算法的應用，提高了系統參數的控制精度。該低氧呼吸裝置控制系統能夠模擬不同海拔高度的高原空氣環境，一方面，可幫助高原作業者通過訓練來適應嚴重的高原反應；另一方面，可以給平原地區運動員提供貧氧的訓練環境，以激勵和提升人體機體潛能，取得了較好的訓練效果。

[1] 王偲宇,俞夢孫,王彬華,等.基于模糊自適應算法的低氧艙控制系統設計[J]．北京生物醫學工程,2014,33(4):397-402．

[2] KOHN K W,RISS J, APRELIKOVA O.Properties of switch-like bioregulatory networks studied by simulation of the hypoxia response control system[J].Molecular Biology of the Cell,2004,15(7):3042-3052.

[3] 熊秀.基于虛擬儀器的控制系統[D].西安：西北工業大學,2005.

[4] 劉君華．虛擬儀器圖形化編程語言LABVIEW教程[M].西安:西安電子科技大學出版社，2001.

[5] 王偉，劉士國，涂橋安,等.基于LabVIEW的機械密封試驗裝置測控系統研究[J].制造技術與機床,2015(3):79-82.

[6] 姜恒,陳先鋒,成群林,等.便攜式氮氣沖洗裝置控制系統設計[J].自動化儀表，2014(9)：91-94.

[7] 盧佩,劉效勇.基于LABVIEW的溫室大棚溫、濕度解耦模糊控制監控系統設計與實現[J].山東農業大學學報(自然科學版),2012,43(1):124-128.

[8] 張志利,侯傳勛,姜毅.基于虛擬儀器的數據采集板卡校準技術研究[J].自動化儀表,2011,32(12):20-23.

Design of Automatic Monitoring and Control System for Intelligent Hypoxic Breathing Training Device

XUE Jiapeng，JIANG Quansheng，JIANG Mingming，DING Guiyang

(School of Mechanical Engineering,Suzhou University of Science and Technology,Suzhou 215009，China)

Aiming at the demands for simulating the high altitude hypoxia environment training in the plain area,the design scheme of control system for the hypoxic breathing training device is put forward.Based on LabVIEW platform,the atmospheric pressure,temperature and oxygen content and other parameters of the training environment are collected and operated,to achieve real-time recording and displaying of the training data; the variation of system parameters is integrated by using positional PID algorithm,and the control precision is improved in further.The results show that the device can simulate hypoxia environment of plateau at different altitudes,and realize automatic regulation and control of system parameters,it has good applicable values.

Intelligence; Control system; PID algorithm; LabVIEW; Human-computer interface

蘇州科技學院科研基金資助項目(XKZ201408)

薛加鵬(1995—)，男，在讀本科生，主要從事機電設備自動控制方向的研究。E-mail：297060663@qq.com。 蔣全勝(通信作者)，男，博士，副教授，主要從事機電設備自動控制與信號處理、故障診斷等方向的研究。E-mail：qschiang@163.com。

TH7；TP272

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201702007

修改稿收到日期:2016-08-15