基于呼吸频率检测的供气方式研究

2013-10-15郭丽丽房灵申邹媛媛赵明扬

制造业自动化 2013年14期

郭丽丽，房灵申，邹媛媛，赵明扬

(1. 中国科学院沈阳自动化研究所，沈阳 110016；2. 中国科学院大学，北京 100039)

0 引言

现有呼吸防护产品或供氧系统多是连续式供风，功耗高且连续直吹方式产生的气流易造成使用者的不适感[1,2]。而正常状况下，同一人心肺运动周期趋于稳定，呼吸频率等参数在相同状态下基本保持不变[3]。基于此笔者提出了基于人体呼吸频率的先验值记录供风方式。系统采用流量传感器检测呼吸信号，通过控制器对呼吸信号的分析得到呼吸模式特征值，温度传感器作为温控开关控制风机以现有呼吸模式为人体供风。

1 呼吸流速检测原理

本文选用热丝式流量传感器检测人的呼吸信号。该传感器采用的是恒定温差的电路工作原理，结构上主要包括发热元件、空气温度补偿电阻、运算放大器等[4,5]。通过气体流过热丝时的温度变化量转换为流量进行检测，热量控制系统增加电流保持热丝恒定温度，气体流速与电流产生量成比例，流量和电流是非线性关系；线性化的实现通过微处理器及软件进行，以便产生可重复性流速的分布。热丝是电桥的一段，流量变化时热丝的温度、阻抗和电流变化导致桥路不平衡，根据输出电压变化可换算出流量。

作为发热元件的热金属丝安置在传感器的空气流通道之中，在电路设计时就使其工作温度比进气温度高。电桥中，只有当发热元件的温度高于空气温度时，桥式电路才能达到平衡[6]。运算放大器通过向桥式电路输入对金属丝的加热电流，以保持发热元件温度的恒定值。热丝式流量传感器原理如图1所示。

图1 热丝式流量传感器原理图

图1中各元件分别为：Rb为热丝 Rf为空气温度补偿电阻；R1、R2、R3为桥接电阻；Vo为信号电压输出。

热丝被流体带走的热量：

式中：a为热系数；s为热丝表面积；Tw为热丝表面温度；Tf为流体温度。

强迫对流热交换情况下Kram er经验公式：

其中：怒塞尔系数 (为传热系数，为热线直径，为热导率)；雷诺系数(,,分别为流体的密度、速度和动力粘性系数)；普朗特数 (其中为气体的定压热容)，适用范围：；；。

热丝的电阻温度特性：

式中和分别为当金属丝温度为和时的电阻值，为温度系数。

由公式(1)、(2)、(3)可得：

表1 AWM 720P1流量传感器输出电压与流量对照表

参照模拟电压与流量对照表，将转换后的数字量换算成相应的流量值，曲线拟合为折线段如下：

2 系统设计及实验

2.1 硬件设计

系统硬件结构如图2所示，单片机STC12C5A60S2作为核心控制器接收温度传感器DS18B20及流量传感器AWM 720上传数据，分析综合后控制风机启停、同时通过串口通信将传感器数据上传至上位机进行实时显示[7]。

图2 系统硬件设计图

STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的STC12系列单片机。该单片机是单时钟/机器周期(1T)，具有高速、低功耗、超强抗干扰和无法解密诸多优点。指令代码完全兼容传统8051，速度快8-12倍。工作电压为5 V，有6个16位定时器，兼容普通8051的定时器或4个外部中断，具有看门狗和EEPROM功能，并且内部集成MAX810专用复位电路。

STC12C5A60S2A/D转换在P1口，上电复位后P1口为弱上拉型A/D，流量传感器输出接P1.0引脚。该芯片ADC是逐次比较型ADC，由一个比较器和D/A转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位开始，顺序地对每一输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经过多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。逐次比较型A/D转换器具有速度高，功耗低等优点。实验中，控制A/D转换速度约为250KHz。

流量传感器选用霍尼韦尔AWM 720P1大流量传感器，人呼吸时最大流量为80 SLPM(标准升/分钟)，该传感器最大可检测流200SLPM，可以满足试验要求。DS18B20为一线式数字温度传感器，内部由64位ROM、温度传感器、温度报警触发器TH和TL与配置寄存器组成[7]。温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。选用微型轴流引风机，其转速由控制器输出信号并经过驱动模块控制。根据人体舒适度，还可对对引风机转速进行不同的设置。

实验过程中，首先由流量传感器检测人的呼吸，通过控制算法提取出人的呼吸模式特征值并记录保存。温度传感器放于口鼻附近用于感知呼气吸气温度变化，当传感器检测到的温度达到一定阈值时，控制器输出信号控制风机按既有呼吸模式启停。阈值的选取随外界环境及人呼出气体的不同而不同。将流量传感器置于口鼻前端，当人呼气时，传感器检测当前通过其管路的流量大小从而输出对应的电压值。该传感器为单向检测，当通过其管道的风向相反时，输出值对应为0。试验中，传感器检测人呼出气体流量值，吸气时检测到的流量值为0。

2.2 软件设计

2.2.1 呼吸信号特征记录

图3中红色曲线为流量传感器检测到的呼吸信号波形图，以下说明特征值记录方法的实现过程及部分代码实现。

图3 呼吸信号特征值记录

首先由流量传感器检测5次人的呼吸，控制器通过分析这5次呼吸数据得到平均呼气时间与平均吸气时间，作为模板特征值用于控制风机启停。程序中当流量为0时控制器将其识别为吸气过程，当流量不为零时为呼气过程。采用定时器/计数器T0记录呼气与吸气时间。全局整型变量数组iStartTim e[5]与iStop Tim e[5]分别用来保存连续吸气时刻点与吸气结束（呼气）时刻点，iStartTim e数组中的元素对应每个吸气开始时间，iStop Tim e数组中的元素对应吸气结束（呼气）时间。

设置单片机内部定时器T0每50m s溢出一次，全局无符号整型变量g_iCounter记录定时器T0自单片机上电后溢出的次数。iStartTim e与iStop Tim e数组元素保存相应的g_iCoun ter值作为记录时刻，因此记录时刻的时间分辨率为50m s，相对于人的呼吸周期（3s左右），该分辨率可以满足精度要求。

时间记录部分代码实现如下：

对采集到的数组进行处理，得到呼气时间t1与吸气时间t2。

T1 = iStartTim e[1] - iStartTim e[0];//第一个呼吸周期

为消除噪声带来的影响，对其进行二次平均求解。逐一比较T1/T2/T3/T4与差值，将差值最大者去除，并求取剩余三者的平均值。

吸气时间：

呼气时间：

2.2.2 风机启停控制算法实现

依据呼气时间t1与吸气时间t2，使用unsigned int型局部变量iCount控制风机启动时间。当iCount大于t2时停止风机；当iCount大于t1+t2时，iCount清零，同时启动风机。

图4 函数流程图

2.2.3 代码临界段

代码的临界段也称为临界区，指处理时不可分割的代码。一旦这部分代码开始执行，则不允许任何中断打入。为确保临界段代码的执行，在进入临界段之前需关闭所有中断，临界段代码执行完以后立即开启中断[8]。温度传感器DS18B20是单总线通信，其时间片序列要求严格，因此其代码部分为临界段。

2.3 试验过程及实验结果

上位机与单片机之间使用串口通信，波特率设定为9600bps[9,10]。上位机采用MFC编程实时接收并显示单片机上传的呼吸流量数据、温度传感器温度值。

系统上电后，将流量传感器靠近使用者口鼻测试呼吸周期，此时上位机将实时显示使用者的呼吸波形，如图5所示。5次完整呼吸后，单片机接收温度传感器检测到的温度值数据。如图6所示，呼吸波形的波谷代表环境温度，当温度传感器检测到的温度高于环境温度一定阈值T时，启动单片机对风机的控制，此时风机将以已有的呼吸模式进行送风；当温度传感器检测到的温度回到环境温度后停止单片机对风机的控制。