濕化儀溫度系統

李思堯 王志文

摘?要：現如今因為自身以及外界空氣環境的諸多問題，患有呼吸類疾病的人逐漸增多。呼吸濕化治療儀可在患者高流量氧療的過程當中，可調整吸入氧的濃度、溫度和濕度，從而達到更好的氣道管理。在本文中側重研究呼吸濕化治療儀的溫度部份。在本次設計中針對呼吸機的溫度部分，采用不同的方法對測得的數據進行數據處理。對溫度傳感器采集到的數據采用不同的處理方式進行非線性處理，最主要的是熱敏電阻。

關鍵詞：高流量濕化呼吸治療儀;呼吸機;溫度測量

中圖分類號：TP216文獻標識碼：A

當代，呼吸病患者逐年增多，一個符合人體氣道需要的呼吸濕化治療儀越來越重要。隨著生活水平的進步，人們開始更加關注自身的健康問題，之前未被大家重視的睡眠健康也漸漸引起了更多人的關注，這一現象無疑為無創呼吸機開辟了很大的市場。呼吸濕化治療儀是一種新型的具有加濕加溫作用的呼吸機。相較于普通的機械呼吸機，更符合患者呼吸道的需要，提高血氧飽和度，不僅能夠用來幫助呼吸困難的人群順暢呼吸，還具有治療呼吸類疾病的功能。[1、2]適用于I型呼吸衰竭癥狀，并能減少呼吸機回路的滋生細菌，降低相關性肺炎疾病的發生率。目前，在歐美等國家應用呼吸濕化治療儀已經向普遍，但國內的呼吸機技術大多數仍處于借鑒和模仿國外呼吸機技術的階段內，不僅在功能還有質量上，尤其是可靠性等方面還都遠遠落后于西方一些發達國家。在將來，智能呼吸機會更加頻繁地應用到醫院及家庭護理當中。

1 系統設計分析

在本次設計的微控制器選擇了飛思卡爾MK22FN512VLL12芯片，四個溫度傳感器將外界的溫度信息轉換為電阻的阻值變化傳入電路，根據不同溫度傳感器的不同特有屬性，在軟件中進行編程，再將阻值轉換為溫度值，通過系統的輸出設備LCD液晶屏顯示出來。根據人機交互中唯一的輸入設備按鍵可以修改測量溫度的上下限值，當所測的溫度超過預設定的范圍時，利用蜂鳴器實現報警功能，通知使用者此時系統處于非正常狀態，進而完成了人機交互。

2 總體設計

在本次設計中為了程序能夠順暢的運行，占據內存不宜過大，所選結構盡量簡單實用、易于實現，并通過MQX嵌入式實時操作系統對各子任務進行調度。[3]系統采用的結構大多數都是由系統的功能決定的。

在本系統要實現的功能有溫度的測量、顯示及報警等。因此在軟件部分主要設計了顯示程序、報警程序、數據采集程序、數據處理程序、按鍵程序等子程序。每一個子任務都是一個循環函數，當正在執行的任務發出調度請求時，調度器將會掛起當前的任務去執行已經準備就緒的最高優先級的任務，無任務就緒時將執行空閑任務。對系統中的各個任務設置合適的優先級來保證實時性，將高優先級分配給要求高的任務。

3 數據轉換模塊

溫度傳感器的的關系普遍沒有標準的線性化，而Pt 1K的線性化好，只需要用MATLAB擬合一階曲線即可，擬合方程式為式（1）：

T=0.258*R1-258.1（1）

其中，T是溫度值，單位為℃;R1是鉑電阻的阻值，單位為Ω。

熱敏電阻溫度和阻值之間的關系更為復雜，而要想使溫度傳感器的輸出值準確，在程序中就要提供誤差較低的擬合曲線。如果人為的計算擬合曲線方程式，工程浩大，不易完成。在本節中著重介紹對數公式法。[4]

熱敏電阻的R?T基本特性可用指數形式表示出來，如式（2）：

R4=R0×expB（1T-1T0）（2）

其中，T和R4為變量，B、T0和R0為定值。R4是溫度為T時的熱敏電阻的阻值，R0是溫度為T0時的熱敏電阻的阻值，B是熱敏電阻的敏感系數。不同的熱敏電阻，B值不同。

本文推導出的R?T三階對數公式，即式（3）：

T=10.0055?0.0008LnR+40.0000*（LnR4）3-273.15（3）

4 實驗結果和分析

Pt 1k鉑電阻本身就具有良好的線性化，不用進行擬合處理，而熱敏電阻的線性化較差，為了來提高系統的精度，采用了MATLAB進行了線性化處理。

在MATLAB中，所選的擬合方程直線階數越高，誤差越小，準確度越高，但是將高階的方程式帶入程序中的話，占用的內存更大，運行起來耗費的時間更長，所以在擬合曲線的精度滿足系統規定的精度的前提下，選擇擬合階數最低的即可。如下圖所示是熱敏電阻阻值和溫度的關系擬合曲線。

擬合曲線圖

式（4）為熱敏電阻的二階擬合方程：

K=（0.0000001648）*R22?0.006112*R2+69.59（4）

其中K為測量的溫度，單位是攝氏度（℃）;R2為熱敏電阻的阻值，單位是歐姆（Ω）。可知，最大誤差是?0.4℃，技術指標要求是不超過0.5℃，所以該系統符合設計要求。

5 結論

本系統主要實現了溫度的測量以及對數據進行處理，并能夠保證溫度的測量誤差絕對值不超過0.5℃。能夠根據使用者的要求通過按鍵設置報警的范圍，并且可根據使用者的意愿選擇是否將報警范圍保存至緩沖區，即重啟之后范圍仍然有效。對溫度傳感器的阻值與溫度之間的關系進行線性化處理。為提高設計的精確度，通過MATLAB進行了線性化處理，減小測量數據的誤差。

參考文獻：

[1]孫長寧.經鼻高流量吸氧對急性呼吸衰竭患者氧療和氣道濕化效果觀察[J].錦州醫科大學學報，2018，39（05）：45?48.

[2]陳配配，董麗秀，葉波，周耿標.高流量吸氧濕化儀與無創呼吸機對呼吸衰竭患者的療效比較[J].海南醫學，2017，28（02）：291?293.

[3]周廣濤，裘君.基于MQX實時操作系統的智能家居系統[A].機電工程，2013，30（11）：1435?1439.

[4]梅小雨，許昌，魏艷紅.基于對數的NTC熱敏電阻測溫系統的設計[A].創意與實踐，2011，26（5）：54?57.