呼吸末二氧化碳模块设计

【摘 要】本文着重运用电子电路、单片机应用和通信协议等知识完成对呼吸末二氧化碳浓度检测模块设计，组成由二氧化碳检测到上位机通信的检测系统，并通过调试测试能兼容医疗设备，具有良好效果的设计。

【关键词】二氧化碳；传感器；电子电路；通信

一、系统原理

本系统是利用AVRmega-64高速单片机构成一个基于呼吸末二氧化碳浓度检测系统，用户对着经过滤棉的进气口呼吸，抽气泵开始工作、抽气，呼吸气经二氧化碳传感器、流量阀抽气泵至大气，其中二氧化碳传感器检测出二氧化碳浓度参数、压力参数，通过温度和压力补偿，信号量进入数字滤波电路出去杂乱信号干扰，经过电压跟随电路完成前后级隔离干扰，最后模拟量通道送入单片机内置A/D转换，压差反映呼吸流量参数、压力参数做波形分析和导出各种呼吸力参数，校零时，通过三通阀连接大气，以当时人所在环境大气作为零点参数。此时，所得的数据通过一定波特率传送上上位机结合特定软件显示出来人的呼吸率、大气压、二氧化碳变化实时曲线等易观测数据，当人的各项参数偏离正常值时，上位机进行报警提示，构成一个由二氧化碳检测到上位机通信的典型检测系统。

二、系统特点

（一）单片机资源丰富

AVR 系列中Mega64是一款高性能、低功耗，采用先进RISC精简指令，易实现各种扩展功能具有1MIPS/MHz的高速运行处理能力；同时采用低功率，内部分别集成Flash， EEPROM和SRAM三种不同性能和用途的存储器。

（二）实时数据通信快

通过外围电路对二氧化碳传感器的信号进行一系列处理，由单片机内部A/D转换，采集实时数据，所有程序采用汇编编写，对于实时性有了很大提高，经过特定的通讯协议，高传输速率，实现对二氧化碳的实时监测，完成对二氧化碳浓度、大气压、呼吸率等各种参数的上位机显示。

（三）电子电路典型

对于二氧化碳传感器采集的信号，经过压力差分放大，电压隔离，阻容滤波等进入单片机，综合了专业各方面基础知识。尤其对于二氧化碳信号量呈现反比例特点，采用和差放大电路，更是本系统的设计亮点。

1.电子元件选择

采用贴片式元件 手工焊接技术工艺要求高，但体积小，占用电路板小，方便设计小功率电路，贴片的优势就是全自动化流水线作业，产能高、精度高，而且贴片电容在运输途中不像插件式那样容易受损，适用于大规模生产。

2.二氧化碳传感器选择

采用美国专业生产呼吸系列产品的公司——CardioPulmonary Technologeies.Inc。该公司最新开发的独有的新型传感器件，在温度环境，压力环境等方面的适应性远远高于传统产品，先进的技术，先进的质量无需预热，快速反应小尺寸，低功耗——适用于包括插件式监护仪的各类监护系统，适应各种环境高度自动化的检测系统，完备的备件。

3.流量、压力信号获取选择

采用美国专业生产呼吸系列产品的公司——CardioPulmonary Technologeies.Inc生产的EZ-FLOW气体流量传感器。该传感器对于空气、氧气及笑气的流量测量范围广，灵敏度高，精度好，适用于医疗系统中病人呼吸末气体的流量监测，零点稳定度高；；全量程高稳定性、高精确度和优良的重复性。与流量阀配套使用，在其阀前、阀后产生的压差可以反映流量信号，通过压差传感器检测出对应流量的电信号。

4.信号放大电路选择

采用运算放大器电路是传感器信号处理的典型应用放大电路。运算放大器信号输入输出功率很小，增益很大，通常位于电路的前端。根据信号的正负和幅值等情况进行不同的放大，以达到微弱电信号输入，单片机可识别的电压输出。運放带负载能力弱，输出电流相对小，输出内阻相对大。主要用与弱信号的放大。

三、设计及实现

为了更好地设计二氧化碳模块与实际使用医疗设备更兼容，需要设计一些辅助电路，使得加进的模块不影响设备的正常工作，增加了电源启动延时电路、差压放大电路、泵调速电路，以辅助主干电路可以正常工作，具有更准确数据，更强的兼容性，更优的控制。

（一）电源模块与各模块的联系

对电源模块采取了延时启动设计，电源模块为各个模块提供源源不断的动力，如下图所示，以保证各模块之间的电流分配恰当。

（二）信号模块与各模块的联系

信号采集是这个二氧化碳模块设计的原材料，为CPU处理模块提供外界数据的参考，这一部的数据采集，影响到CPU处理结果的正确与否，更进一步影响到上位机显示结果的正确与否，材料的对与错，直接影响二氧化碳浓度、压力参数、呼吸频率等参数的准确性。

（三）CPU模块与各模块的联系

CPU模块是这个二氧化碳模块设计的大脑，负责支配各个模块的运作。对于数据的运算、处理、发送，都在于此模块，没有这一部分，整个系统就相当于一个没有脑袋的人，将是一个瘫痪的系统。

（四）通讯模块与各模块的联系

通讯模块是连接下位机与上位机的通讯，也是“产品”向外传送到目的地的重要环节。通过特定的协议传送由信号模块采集与CPU模块处理的数据，是承接信号数据与上位机通信的纽带和运输工具。

四、技术难点突破

（一）兼容问题

由于加进二氧化碳检测模块后，上位机设备通讯出现死机、参数不准确现象。也就表明了检测模块与设备的不兼容性，主要由于电压、电流分配不均导致的。对于怎样启动才不影响设备的稳定性，尝试了很多次，发现了只要检测模块延时一点在启动，整个呼吸机设备可以正常运行，所以我们设计了电源延时启动检测模块，以达到系统的稳定性和兼容性问题。

（二）信号问题

二氧化碳传感器，采用外国进口，发现随着浓度的升高，输出电压值反而下降。如果直接采用放大，是不能实现数据处理的，而且电压值只在3-4V之间波动，如果电压值太高，采样起来数据直接发送会出现零点值升高的问题。所以我们采用了和差电路，很好地解决了浓度升高，电压下降和零点值的问题。

（三）数据问题

由于数据采集总遇到尖峰干扰严重问题，采取了限幅滤波方法，虽然还是具有小毛刺，数据不呈现规律明显的变化。所以在原来限幅基础上，采用了平均值方法，效果还算接近理想。但发现波形显示时还是出现比较小的毛刺，对于这个问题，也许真的是滤波方面出现连个采样值的变化问题。经过反复的尝试和稳定输出的尝试，最后采用加权滤波，技术难点突破了，波形十分圆滑，接近完美。

（四）参数转换问题

浮点数的转换，而且与上位机通讯具有特定的协议，最关键一点这次由于数据实时性比较高，需要汇编来编程。这就是为了实时性更高，但浮点数的转换却给了我不少难题，又要快，又要编程量小。采集了一连串数据，反复地揣摩，发现了只要一个数据段，对应的采样值还是一个值，所以我们采用线性插值的方法进行转换，这对于汇编来说，是很简单地实现的。

（五）发送问题

与上位机通讯，全部参数和指令需要在一个10毫秒时间段完成，才可以将所有参数完整的发送出去，这对于信号采集、浮点转换、波形识别等一连串的程序具有死死的规定，就不能完成10毫秒的任务。但是最后发现，采取一个大定时段夹杂多个小定时段去执行不同的小任务，是可以足够时间完成的。

六、总结

经过系统的设计与调试，模块很好地与进行通讯，而且检测信号优良，波形显示没有出现毛刺的效果，能实现在一般医疗仪器上的兼容。

作者简介：罗伟斌（1986-），性别：男，籍贯：广东四会，本科 职称：无 自动化。

参考文献：

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