湿化仪温度系统

李思尧 王志文

摘 要：现如今因为自身以及外界空气环境的诸多问题，患有呼吸类疾病的人逐渐增多。呼吸湿化治疗仪可在患者高流量氧疗的过程当中，可调整吸入氧的浓度、温度和湿度，从而达到更好的气道管理。在本文中侧重研究呼吸湿化治疗仪的温度部份。在本次设计中针对呼吸机的温度部分，采用不同的方法对测得的数据进行数据处理。对温度传感器采集到的数据采用不同的处理方式进行非线性处理，最主要的是热敏电阻。

關键词：高流量湿化呼吸治疗仪;呼吸机;温度测量

中图分类号：TP216文献标识码：A

当代，呼吸病患者逐年增多，一个符合人体气道需要的呼吸湿化治疗仪越来越重要。随着生活水平的进步，人们开始更加关注自身的健康问题，之前未被大家重视的睡眠健康也渐渐引起了更多人的关注，这一现象无疑为无创呼吸机开辟了很大的市场。呼吸湿化治疗仪是一种新型的具有加湿加温作用的呼吸机。相较于普通的机械呼吸机，更符合患者呼吸道的需要，提高血氧饱和度，不仅能够用来帮助呼吸困难的人群顺畅呼吸，还具有治疗呼吸类疾病的功能。[1、2]适用于I型呼吸衰竭症状，并能减少呼吸机回路的滋生细菌，降低相关性肺炎疾病的发生率。目前，在欧美等国家应用呼吸湿化治疗仪已经向普遍，但国内的呼吸机技术大多数仍处于借鉴和模仿国外呼吸机技术的阶段内，不仅在功能还有质量上，尤其是可靠性等方面还都远远落后于西方一些发达国家。在将来，智能呼吸机会更加频繁地应用到医院及家庭护理当中。

1 系统设计分析

在本次设计的微控制器选择了飞思卡尔MK22FN512VLL12芯片，四个温度传感器将外界的温度信息转换为电阻的阻值变化传入电路，根据不同温度传感器的不同特有属性，在软件中进行编程，再将阻值转换为温度值，通过系统的输出设备LCD液晶屏显示出来。根据人机交互中唯一的输入设备按键可以修改测量温度的上下限值，当所测的温度超过预设定的范围时，利用蜂鸣器实现报警功能，通知使用者此时系统处于非正常状态，进而完成了人机交互。

2 总体设计

在本次设计中为了程序能够顺畅的运行，占据内存不宜过大，所选结构尽量简单实用、易于实现，并通过MQX嵌入式实时操作系统对各子任务进行调度。[3]系统采用的结构大多数都是由系统的功能决定的。

在本系统要实现的功能有温度的测量、显示及报警等。因此在软件部分主要设计了显示程序、报警程序、数据采集程序、数据处理程序、按键程序等子程序。每一个子任务都是一个循环函数，当正在执行的任务发出调度请求时，调度器将会挂起当前的任务去执行已经准备就绪的最高优先级的任务，无任务就绪时将执行空闲任务。对系统中的各个任务设置合适的优先级来保证实时性，将高优先级分配给要求高的任务。

3 数据转换模块

温度传感器的的关系普遍没有标准的线性化，而Pt 1K的线性化好，只需要用MATLAB拟合一阶曲线即可，拟合方程式为式（1）：

T=0.258*R1-258.1（1）

其中，T是温度值，单位为℃;R1是铂电阻的阻值，单位为Ω。

热敏电阻温度和阻值之间的关系更为复杂，而要想使温度传感器的输出值准确，在程序中就要提供误差较低的拟合曲线。如果人为的计算拟合曲线方程式，工程浩大，不易完成。在本节中着重介绍对数公式法。[4]

热敏电阻的R T基本特性可用指数形式表示出来，如式（2）：

R4=R0×expB（1T-1T0）（2）

其中，T和R4为变量，B、T0和R0为定值。R4是温度为T时的热敏电阻的阻值，R0是温度为T0时的热敏电阻的阻值，B是热敏电阻的敏感系数。不同的热敏电阻，B值不同。

本文推导出的R T三阶对数公式，即式（3）：

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

4 实验结果和分析

Pt 1k铂电阻本身就具有良好的线性化，不用进行拟合处理，而热敏电阻的线性化较差，为了来提高系统的精度，采用了MATLAB进行了线性化处理。

在MATLAB中，所选的拟合方程直线阶数越高，误差越小，准确度越高，但是将高阶的方程式带入程序中的话，占用的内存更大，运行起来耗费的时间更长，所以在拟合曲线的精度满足系统规定的精度的前提下，选择拟合阶数最低的即可。如下图所示是热敏电阻阻值和温度的关系拟合曲线。

拟合曲线图

式（4）为热敏电阻的二阶拟合方程：

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

其中K为测量的温度，单位是摄氏度（℃）;R2为热敏电阻的阻值，单位是欧姆（Ω）。可知，最大误差是 0.4℃，技术指标要求是不超过0.5℃，所以该系统符合设计要求。

5 结论

本系统主要实现了温度的测量以及对数据进行处理，并能够保证温度的测量误差绝对值不超过0.5℃。能够根据使用者的要求通过按键设置报警的范围，并且可根据使用者的意愿选择是否将报警范围保存至缓冲区，即重启之后范围仍然有效。对温度传感器的阻值与温度之间的关系进行线性化处理。为提高设计的精确度，通过MATLAB进行了线性化处理，减小测量数据的误差。

参考文献：

[1]孙长宁.经鼻高流量吸氧对急性呼吸衰竭患者氧疗和气道湿化效果观察[J].锦州医科大学学报，2018，39（05）：45 48.

[2]陈配配，董丽秀，叶波，周耿标.高流量吸氧湿化仪与无创呼吸机对呼吸衰竭患者的疗效比较[J].海南医学，2017，28（02）：291 293.

[3]周广涛，裘君.基于MQX实时操作系统的智能家居系统[A].机电工程，2013，30（11）：1435 1439.

[4]梅小雨，许昌，魏艳红.基于对数的NTC热敏电阻测温系统的设计[A].创意与实践，2011，26（5）：54 57.