智能輔助呼吸機的報警系統的設計與研究

趙希超+楊光

摘 要：設計了一種基于STC12C5052AD單片機三CPU的具有報警系統的智能化輔助呼吸機。將干燥的空氣和氧氣的混合氣體加濕加溫到適宜的濕度和設定溫度，并以設定流量提供給患者使用。介紹了該機器的組成和工作原理并且著重的闡述其報警系統的設計。

關鍵詞：輔助呼吸機；單片機；溫度傳感器；流量傳感器；報警系統

1.引言

人們身體健康時，上呼吸道對吸入氣體有加溫加濕的功能，可以維持氣道黏膜與纖毛系統正常的生理功能和防御機能。但是，作為這種工能減弱或者喪失的患者，就需要輔助加溫、加濕和細菌過濾的功能，以確保正常的生理需要[1]。為了保證其長時間的穩定工作，除了可靠的設計和正確的使用，它準確靈敏穩定的報警系統也是非常關鍵的環節。

2.輔助呼吸機的電路的組成及原理

該輔助呼吸機的電路組成如圖1，主要有電源電路，濕化罐的加熱電路，信號的處理和運算電路，呼吸管路的加熱及測量電路，單片機的最小系統電路。控制系統以，STC12C5052AD單片機為核心，單片機接受傳感器的溫度，含氧量，流量和報警信號等信息，并根據設定的溫度和流量值按照預設的控制算法輸出控制。

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該機器有消毒和濕化兩種模式，工作在濕化模式時，插入濕化管路，氧氣和空氣的混合氣體通過濕化罐加熱和加濕后通過濕化管路進一步加熱和保溫最后送入病人鼻腔。在此模式下可以設置混合氣體的溫度和流量。工作在消毒模式時，插入消毒管并且去掉濕化罐，消毒管中的電阻絲將管內空氣加熱到90℃并以10L/MIN的速度流動，利用加熱的流動空氣消毒該機器。

3.呼吸濕化儀的報警及原理

1.沒有插入正確管路或沒有插入管路的報警

輔助呼吸機有濕化和消毒兩種模式，所以配備了濕化管路和消毒管路。管路都是利用電阻絲將管內混合氣體加熱，但是濕化和消毒兩種模式要求管內氣體溫度不同，所以兩種管路的電阻絲阻值不同，所以當不插管路，插入消毒管或是插入濕化管時經過AD轉換電路后得到的AD值的范圍不同，當CPU識別到AD值為最大值時，發出“未插管”的報警信息，當系統被設定為相應模式時，CPU得到的AD值沒在相應的范圍，此時，發出“插錯管路”的報警信息。這樣便可以避免在濕化模式下誤插入消毒管路使管內空氣溫度驟然增加而燙傷病人呼吸道的傷害。

2.機器漏氣或是堵塞的報警

因為該機器是輔助病人呼吸用的，若儀器漏氣或是堵塞就會喪失輔助呼吸的作用，嚴重時甚至威脅到病人的生命安全[2]。該機器氣體的流量是CPU控制風機利用流量傳感器組成一個閉環系統，通過脈寬調速達到設定的流量。[3]如果儀器不漏氣或是不堵塞，那么其內部的風阻不變，也就是說流量和占空比對應成比例，若儀器漏氣時其風阻變小，那么流量瞬間變大，相應的占空比也會也會變小，所以它們的比值會比正常時變大。同理機器堵塞時流量與占空比的比值會比正常時變小，CPU記錄下流量和風機占空比的比值，若比值在正常范圍內CPU不發報警信號，若比值比正常范圍偏小并且持續時間大于30秒，CPU將發出“堵塞”報警信息，若比值比正常范圍偏大并且持續時間大于30秒，則發“漏氣”報警信息。

3.溫度傳感器損壞報警

為了保證儀器的穩定和病人的安全，在測量管內混合氣體溫度時采用熱敏電阻和DS18B20兩種溫度傳感器相互印證的測量方式。[4]CPU收到熱敏電阻和DS18B20測量的溫度值時，比較兩個值的差，若差值大于5℃時儀器停止工作，并發出“溫度傳感器損壞”的報警信息。

4.濕化罐干燒報警

因為該機器需要在長期穩定的工作，如果濕化罐內的水量低于要求的最小值或是干燒，就會使管內的氣體的溫度急劇上升，導致燙傷病人的呼吸道，因此濕化罐的干燒報警就顯得尤為重要。在加熱盤的底部裝有一個熱敏電阻，當濕化罐內水被燒干時，加熱盤溫度會迅速增加，熱敏電阻阻值減小引起分壓變化，當超過某一閥值溫度時，熱敏電阻的分壓值通過比較器及后續電路關斷加熱電源，此時CPU發出“濕化罐干燒”的報警信息。

5.工作環境溫度不適宜報警

因為該機器需要在一個穩定并且適宜的工作環境溫度下才能保證其穩定的工作性能和正確的輸出參數，所以該機器需要檢測工作環境溫度，經過多次的實驗和理論推導該儀器在18至28攝氏度內工作最適宜。如果CPU的溫度傳感器檢測到工作環境溫度低于18攝氏度時，CPU發出“工作環境溫度過低”報警信息。如果溫度傳感器檢測到工作環境溫度高于28攝氏度時，CPU向發出“工作環境溫度過高”報警信息。

6.長期達不到設定值的報警

如果該機器送出的混合氣體的溫度，流量和氧含量在20分鐘后依然達不到設定目標值便就會影響病人的治療效果，此時機器就會報警提醒醫護人員作出相應的措施。每當機器送出氣體的溫度，流量或含氧量被重新設定時，CPU就會開始計時，當計時到20分鐘時CPU就會查詢各個實時值與設定值的差，若哪個差值過大CPU就會發出相應的“未達到設定值”的報警信息。

4.結束語

設計的智能呼吸濕化儀既能改善患者的呼吸情況，又能提供安全穩定的報警機制。在實際應用中大大保證了患者的安全。

參考文獻：

[1]藍惠蘭，鄧旭萍，陳瀚熙，陳麗芳，張秀濃.機械通氣呼吸濕化器濕化研究進展[J].護理學雜志，2013，（13）：94-97.

[2]Renault Anne，Tonnelier Jean-Marie，Goetghebeur David，Oger Emmanuel，Boles Jean-Michel，L'Her Erwan. Influence of the humidification device during acute respiratory distress syndrome.[J].Intensive Care Medicine，2003，29（12）：.

[3]樓理綱，包濤，楊剛. MR850呼吸濕化器的工作原理及常見故障[J].醫療裝備，2016，（13）：47-48.

[4]鄭鋒，王巧芝，李英建，等.單片機應用系統典型模塊開發大全[M].北京：中國鐵道出版社，2013：46-50.

作者簡介：

【1】趙希超 性別：男 出生年月：19930302 籍貫：河北省唐山市，碩士 院系：機械工程學院 專業：機械工程 研究方向：機電一體化及機器人

【2】楊光 性別：男 出生年月：197408 籍貫：河北省辛集，博士 院系：機械工程學院 專業：機械工程 研究方向：機電一體化及機器人，増材制造技術