基于单片机的鼾症治疗仪电路设计

冯璐璐，倪 原，刘朝辉，郭恩峰

（1. 西安工业大学，陕西省西安市 710032；2. 第四军医大学唐都医院，陕西省西安市 710032）

1 引言

打鼾是一种严重影响人体健康的睡眠疾病，属于“阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征” (Obstructive Sleep Apnea Hypopnea Syndrome,OSAHS)，是心血管疾病、呼吸道疾病等多种疾病的诱因同时也严重影响睡眠。得不到及时治疗的小孩容易诱发记忆力减退、注意力不集中。中年人容易引起脑缺氧、肾脏损害、免疫功能下降等多种疾病。老年人更容易导致高血压、冠心病、血管性痴呆，甚至睡眠中死亡。由此可见对于打鼾的减轻与治疗的研究是非常有必要的。

本设计利用变频旋磁热辐射作用于人体颈部，可以在短时间内促进气道周围组织分解代谢增强，张力增强，弹性增加，从而解除气道狭窄，使呼吸通畅，进而改善或治疗打鼾。

2 设计原理

引起打鼾的原因有很多，主要有鼻部异常、心血管病变、呼吸暂停、舌头肥大、身材肥胖等，其中肥胖是引起打鼾的最主要的原因之一。由于肥胖者的气道通常要比正常人狭窄，白天清醒的时候，咽喉部肌肉收缩时气道保持开放，因而不会使气道受到堵塞。但是晚上睡眠时神经兴奋性下降，肌肉松弛，咽部组织堵塞，使上气道塌陷，当气流通过狭窄部位时，会产生涡流并引起震动，阵阵鼾声也就产生了。

由于人体发射的远红外线波长在9.6微米左右，在治疗时所选择的红外波长在8～15微米，可以和人体表面峰值匹配产生共振。使体内热能提高，细胞活化，因此促进脂肪组织代谢，燃烧分解，将多余脂肪消耗掉，有效减少脂肪厚度。

旋磁可在人体体表局部产生高速旋转变化的磁场，当磁场强度在800到1000高斯时可促进皮下组织血液循环，增强人体细胞膜的通透性，提高红血球的携氧量，减轻血液的粘稠度，良性改善血液理化指标；促进皮下脂肪的快速分解，减少脂肪厚度。在远红外线和旋转磁的共同作用下，能有效降低脂肪厚度，睡眠时当神经兴奋下降咽部组织就不会堵塞，打鼾也就的得到了减轻或治疗。

3 硬件设计

3.1 系统总体结构介绍

系统主要由C8051F020单片机、电机、电机驱动控制器、磁头、远红外管、远红外驱动控制器、温度传感器、生理检测装置等组成。单片机的DAC控制磁头旋转产生转速可变的旋磁，单片机发出的PWM信号控制远红外管加热，通过实时温度传感器采集温度将温度控制在要求范围内。为了检测治疗效果，定期检测人体的温度、肺功能等信号。

结构框图如图1所示：

图1 系统框图

3.2 主控芯片

设计用的是混合信号系统级芯片C8051F020，高速/流水结构的CIP-51内核（可达25MIPS），该芯片据有64个I/o引脚；2个带有PGA和模拟多路开关的12位的ADC和8位的DAC；可实现SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口；5个通用的16位定时器；5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器可以产生PWM信号；片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器。充分满足了本设计的需要,外部不需加入芯片就可实现系统功能,并可使整个系统体积减小、功耗降低、稳定性增加和成本得到控制。

3.3 旋转磁场控制电路

电机的转动带动磁头的转动形成旋磁，驱动电路采用高效率的PWM脉宽调速法，控制电机的转速，改变磁场的旋转速度。治疗要求的磁场强度是800~1000高斯，用5个直径为9mm厚度为3mm的磁片即可满足。通过程序控制单片机DAC的输出电压改变下图中电压比较器的参考电压，进而改变电机的转速，旋转速度范围0~3000转/min。图2是电机驱动电路图。

图中运放U1A和U1B产生三角波，U1C为U1B提供基础电压。U1D是电压比较器，其反相输入端由两个电阻和一个电位器组成参考电压，同相端是三角波输入，通过改变电位器的值来改变参考电压，进而改变方波的占空比调节电机的速度。若要单片机控制电机转速，单片机的DAC输出为U1D提供参考电压，根据参考电压的不同即可改变电机的转速。为了驱动电机，电压比较器后加了功率开关管实现电流放大，功率开关管P60NF06，VDSS为60V，ID为60A，RDS(on)为0.016Ω。防止感性元件（电机）产生的负感应电动势对三极管的冲击，在电机两端加IN4007稳压二极管。

图2 电机驱动电路图

3.4 远红外控制电路

远红外控制电路包括两部分远红外加热驱动电路和温度采集电路，在远红外加热的同时，实时采集远红外加热器表面的温度，当表面温度大于等于最高温度时，改变PWM占空比，停止加热，当温度低于最低温度时继续加热。检测温度范围0~100℃，控制精度±0.5℃。

3.4.1 远红外加热驱动电路

2、机具种类较多，更新较快，既有的教学器具未必能及时跟上教学最前沿。无人植保机、自动驾驶插秧机以及国三国四发动机等先进的农业机械装备，部分培训单位还没有配备。如果培训单位需要教授这部分内容，有教学需求时需要联系厂家、维修点或者外地的高等院校，并不方便，人员和经费开支较大。由于校内教师平时也不容易接触到具体实物，他们往往对机器的理解并不深刻。即便是传统的农业机械，因为种类繁多，农机培训单位也不可能全部配齐。

远红外加热器是一种12V供电的远红外陶瓷材料，该材料节能、升温速度快且稳定、无害；发出的红外波长在1.5～25um，与人体发出的远红外波相比配，可满足治疗需求。单片机发出的PWM信号控制功率管工作，改变红外辐射器的加热温度，同时用PT1000铂电阻温度传感器实时监测温度，形成反馈，将温度控制在一定的范围内。

图3 远红外加热驱动电路

电路中加了光电隔离，防止前后级电路互相干扰。远红外加热驱动电路中使用硅半导体场效应晶体管高速功率开关2SK3070来驱动远红外加热器，VDSS为40V，ID为75A，RDS(on)为4.5 mΩ，导通电压为4V，满足设计需求。

3.4.2 温度检测电路

温度检测电路的电源输入为5V, 经过MC1403输出2.5V精准电压。流经 Pt 的电流是恒定的，当温度变化时，温度传感器的电阻值相应变化，其上电压值随着阻值的变化而变化。电流反映到下一级运放负输入端，输出通过增益调节电位器RW反馈到运放的反相输入端，优点是带宽增加和输出阻抗降低。图4是温度检测电路图。

设计中使用的传感器是金属铂热电阻PT1000，具有电阻温度系数大，感应灵敏；电阻率高，元件尺寸小；电阻值随温度变化而变化基本呈线性关系；在测温范围内，物理、化学性能稳定，长期复现性好，测量精度高。

3.5 生理信号采集

为了检测治疗效果，对人体做一定时间的治疗后需要评价治疗效果。所以需要检测人体的体温、肺功能信号。

3.5.1 肺功能检测电路

人体的呼吸频率范围0.05Hz~20Hz，正常人静止状态下在1Hz左右，呼吸强度是0~150rpm。肺功能的检测其实就是检测人体的呼吸信号，根据呼吸系统动力学原理，用差压式孔板流量传感器测量人体的呼气肺活量、用力肺活量等，综合评估这些参数，能有效反映肺脏、气管、支气管等呼吸道器官的状态及其调节功能。

图4 温度检测电路

图中sensor接入传感器，人在吹吸气过程中，通过传感器获得与气流信号相对应的电压差信号，经过电压跟随器U1A和U1B进入放大电路，这样可以提高输入阻抗和降低输出阻抗。U2A为低通放大器，在吸气时会产生负信号，U2A在抬高电压的基础上加上R5和R7使比较器有了滞后作用，消除输出杂波。

3.5.2 人体温度检测电路

人体温度检测电路与前面的温度检测电路相同，只是检测的范围不同。人体的体温测量范围为0~50℃，测量精度为±0.1℃。温度检测输出信号电压对应铂电阻关系图如下表：

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4 软件设计

软件是系统有效工作的核心，总体流程图如图6。

软件主要完成三个功能包括读取键盘、LED显示和信号的采集。键盘需要6个按键，包括开始、结束、上下左右键，主要实现对温度、时间的设置。有6个LED，两个显示加热的最高温度值，四个显示治疗时间。左右键用来选择所要设置的LED位，上下键用来实现数值的加减。信号的采集利用单片机自带的12为AD转换将模拟信号转换成数字信号送单片机处理。

图5 肺功能参数测试电路原理图

图6 软件流程图

5 实验测试结果

经测试，电机转速控制范围为0~3000转/min，温度检测电路测量的温度变化范围是0~100℃，测量精度为±0.1℃，远红外加热器温控精度为±0.5℃，达到技术指标要求。肺功能模块传感器的最大输出信号峰-峰值为50mv，频率为0.05Hz~20Hz，调节放大倍数使输出信号峰-峰值在3.6V左右，改变放大倍数的同时应调整直流基准电位，一般确定在2.0~2.2V。

治疗仪开机初始化后，根据病人的情况设定治疗的时间、温度、电机转速，并LED实时显示。治疗时间根据不同的人设置不同，设置范围0~200分钟，一个疗程一般在30分钟左右。

[1]李超勇.远红外对人体的治疗与保健作用[J]. 家用电器.2002, 1:42

[2]冈本裕生.图解继电器与可编程控制器[M].科学出版社.2007

[3]许光旭, 田武. 远红外对人体的影响与临床应用述评[J]. 中华医学会第九次全国物理医学与康复学学拳会议

[4]李成龙. 打鼾对人体有什么危害[J].科学与健康，2009，3

[5]王建，杨红春，楼中平.永磁旋转磁场加快运动后血乳酸消除速度[J].体育科学，2007，11(23)