便携式心肺复苏装置的硬件电路设计

武文君，宋立为，贾建革，吴建刚，赵鹏，赵正男

总后勤部卫生部药品仪器检验所，北京100071

便携式心肺复苏装置的硬件电路设计

武文君，宋立为，贾建革，吴建刚，赵鹏，赵正男

总后勤部卫生部药品仪器检验所，北京100071

为便于操作者在心肺复苏的胸外按压过程中较好地把握按压深度和频率，本文设计了一种便携式心肺复苏装置。该装置以微处理器进行控制单元，实时监测按压力度，并根据所选择的患者体型判断按压力度是否满足要求，力度过大或过小都会进行声、光报警提示。本装置可以根据设定的按压频率进行声音提示。本文有针对性地对其硬件电路、设计中遇到的问题以及相应的解决方法进行了详细介绍。

心肺复苏；胸外按压；电路设计

0 前言

心肺复苏对于胸外按压的力度和频率都有一定的要求，按压力度过小则不能有效地促进血流循环，然而按压力度过大又会造成患者骨折，进而导致更加严重的二次伤害。因此对实施心肺复苏的人员有一很高的专业要求[1-2]。目前，我国大多数人都没有接受过正规的心肺复苏训练。本课题研制了一种便携式心肺复苏装置，用于辅助心肺复苏时的胸外按压操作。在胸外按压过程中，主要用于实时提示施救者的按压力度，并且在压力过大或过小时给与警告。根据预先选择的患者体型（偏瘦、中等、偏胖）实时判断施救者的按压力度状况（未达到要求、达到要求、超过限定范围）。施救者可以根据提示结果随时改变自己的按压力度，既保证了按压力度达到有效心肺复苏的要求，又防止了因按压力度过大而造成骨折等二次伤害。同时，该装置还用来提示施救者应该实施的按压频率（≥100次/min）。

1 系统硬件电路

硬件电路以微处理器为核心，外围电路包括供电、复位、开关机、电压自检、压力监测、体型选择、声光报警等。

1.1 供电电路

按压装置的电源由9V电池作为供电电源，然后将其转变为5V电压供系统使用。为了减小电源的外界干扰提供更稳定的电压，在电源部分加入了滤波电路和稳压电路，见图1。该电源模块电路中晶体管Q1、Q2应尽量选择性能参数相同的晶体管。其作用是稳定电池的输出电流，控制电池电压的输出与否。同时，使用两个对称的晶体管可以增大共模抑制比从而减小外界的干扰。此外，在电源芯片的输出端接入一个5V稳压二极管，进一步控制系统中电压的稳定性。

1.2 开关控制电路

装置处于关闭状态时，按下电源开关则能激活电源开始工作，而在工作状态时按下该开关则通过控制断开电源，从而关闭该整个系统。

图1 部分硬件电路原理图

如图1所示，系统处于关机状态时，按下开关S1后，则晶体管Q3导通，开关S1处为低电平状态，晶体管Q1、Q2导通，从而使得整个电源电路导通，为整个系统供电。工作时，首先将X1所对应的端口置为高电平，从而使得晶体管Q4导通。当开关S1断开（Q3截止）后晶体管Q4继续导通，从而维持晶体管Q1、Q2的导通也就是使得电源继续为整个电路供电。

在工作状态时按下开关S1，晶体管Q3导通，外部中断INT0管脚被置为低电平。系统检测到外部中断INT0低电平信号后迅速将X1管脚置为低电平即将晶体管Q4截止。则当开关S1断开时晶体管Q1、Q2都被截止，电源电路断开，最后使得整个装置停止工作。

1.3 电压自检电路

如图1所示，开机后首先将X2对应的管脚置为低电平。晶体管Q5发射极电压为5V，当晶体管基极低于4.3V时晶体管Q5导通，X2端口被置为高电平，若检测到该高电平信号则立即发出警报，提示操作者应该立即更换电池。该装置的阈值电压约为7V。反之如果电池电压VCC>7V则系统不发出警告，即表示电池电压正常。

1.4 其他电路

按压力度监测电路是根据预先计划的按压力度分级，将压力分为几个特定的级别，当按压力度达到某个特定的级别时就选通相应的特定电路，使得特定的I/O口置为低电平，系统根据检测到的不同I/O端口的电平信号判断按压力度的大概范围。复位、体型选择、声光报警等电路不再赘述。

2 实际应用中发现的问题及解决方法

2.1 大电容储存能量对关机的影响

装置通过微处理器的I/O口控制电子开关来实现软关机功能，需在关机时控制关机的I/O口的电平必须用低电平。但在使用电子开关关闭系统时，因有滤波电容的存在，电容能够存储一定的电量，在断开电源时系统的电压不是立即变为0V，而是缓慢变低，当电压低到一定电压时，系统将进入复位状态或不确定状态，此时微处理器控制关机的I/O口也可能变回高电平，从而使电子开关重新接通。

解决方法：控制滤波电容中电容的大小，在能够满足滤波要求的基础上应尽量减小滤除纹波电容的大小，从而尽可能减小电容储能的影响。或者在软件控制程序中加入一个适当的延时控制，等待电容存储的电量降低到系统能工作的电压范围之外再彻底关机。

2.2 微处理器低电平的影响

微处理器输出低电平对应的是一个逻辑电平0，而其电压并非是0V。而该电压有可能使晶体管导通，所以必须加入一个下拉电阻来降低此时的输出电压。同时，由于拉电流很小，为了保证正常工作时控制端口的高电压能够使三极管导通，需要恰当地选择下拉电阻。如果阻值过大将达不到拉电流的目的，如果阻值过小则将无法实现开机功能。本电路中阻值在39～100kΩ为宜。

[1] 程立顺.心肺复苏的历史现状及最新进展[J].安徽医学,2006, 27(6):546-549.

[2] Andrew J.Boyle,Andrew M.Wilson.Improvement in timing and effectiveness of external cardiac compressions with a new non-invasive device the CPR-Ezy[J].Resuscitation, 2002,54(1):63-67.

[3] 郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京:电子工业出版社,2008: 3-146.

[4] 李刚,林凌,王焱.新概念单片机教程[M].天津:天津大学出版社,2004:1-25.

[5] Theano D Demestiha,Ioannis N Pantazopoulos,Theodoros T Xanthos.Use of the impedance threshold device in cardiopulmonary resuscitation[J].World Journal of Cardiology,2010,2(2):19-26.

[6] 崔建,尚瑞雯,范立平,等.心肺复苏机与徒手心肺复苏临床疗效的研究[J].中国循证心血管医学杂志,2009,2(4):299-300,302.

[7] 姜昌浩,丁国强,朱延华,等.心肺复苏指示仪在心肺复苏中的应用[J].新医学,2011,43(9):581-583.

Hardware Circuit Design of A Portable Cardiopulmonary Resuscitation Device

WU Wen-jun, SONG Li-wei, JIA Jian-ge, WU Jian-gang, ZHAO Peng, ZHAO Zheng-nan
Institute for Drug and Instrument Control of Health Department GLD of PLA, Beijing 100071, China

A new portable cardiopulmonary resuscitation (CPR) device is designed for the correct depth and optimal timing during the external cardiac compression. The control unit of this device is made up of a microprocessor, detecting the real-time compression force. If the force is too large or too low, the device will give an alarm with audible beep and visible flashing light. The device can also give an audible beats. The hardware circuit, the problem and its solutions are introduced in detail.

cardiopulmonary resuscitation (CPR); External cardiac compression; circuit design

R459.7

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.01.030

1674-1633(2012)01-0089-02

2011-10-01

作者邮箱：taishine@163.com