基于呼吸頻率檢測的供氣方式研究

郭麗麗，房靈申，鄒媛媛，趙明揚

(1. 中國科學院 沈陽自動化研究所，沈陽 110016；2. 中國科學院大學，北京 100039)

0 引言

現(xiàn)有呼吸防護產(chǎn)品或供氧系統(tǒng)多是連續(xù)式供風，功耗高且連續(xù)直吹方式產(chǎn)生的氣流易造成使用者的不適感[1,2]。而正常狀況下，同一人心肺運動周期趨于穩(wěn)定，呼吸頻率等參數(shù)在相同狀態(tài)下基本保持不變[3]。基于此筆者提出了基于人體呼吸頻率的先驗值記錄供風方式。系統(tǒng)采用流量傳感器檢測呼吸信號，通過控制器對呼吸信號的分析得到呼吸模式特征值，溫度傳感器作為溫控開關控制風機以現(xiàn)有呼吸模式為人體供風。

1 呼吸流速檢測原理

本文選用熱絲式流量傳感器檢測人的呼吸信號。該傳感器采用的是恒定溫差的電路工作原理，結構上主要包括發(fā)熱元件、空氣溫度補償電阻、運算放大器等[4,5]。通過氣體流過熱絲時的溫度變化量轉換為流量進行檢測，熱量控制系統(tǒng)增加電流保持熱絲恒定溫度，氣體流速與電流產(chǎn)生量成比例，流量和電流是非線性關系；線性化的實現(xiàn)通過微處理器及軟件進行，以便產(chǎn)生可重復性流速的分布。熱絲是電橋的一段，流量變化時熱絲的溫度、阻抗和電流變化導致橋路不平衡，根據(jù)輸出電壓變化可換算出流量。

作為發(fā)熱元件的熱金屬絲安置在傳感器的空氣流通道之中，在電路設計時就使其工作溫度比進氣溫度高。電橋中，只有當發(fā)熱元件的溫度高于空氣溫度時，橋式電路才能達到平衡[6]。運算放大器通過向橋式電路輸入對金屬絲的加熱電流，以保持發(fā)熱元件溫度的恒定值。熱絲式流量傳感器原理如圖1所示。

圖1 熱絲式流量傳感器原理圖

圖1中各元件分別為：Rb為熱絲 Rf為空氣溫度補償電阻；R1、R2、R3為橋接電阻；Vo為信號電壓輸出。

熱絲被流體帶走的熱量 ：

式中：a為熱系數(shù)；s為熱絲表面積；Tw為熱絲表面溫度；Tf為流體溫度。

強迫對流熱交換情況下Kram er經(jīng)驗公式：

其中：怒塞爾系數(shù) (為傳熱系數(shù)，為熱線直徑， 為熱導率)；雷諾系數(shù)(,,分別為流體的密度、速度和動力粘性系數(shù))；普朗特數(shù) (其中 為氣體的定壓熱容)，適用范圍： ； ；。

熱絲的電阻溫度特性：

式中 和 分別為當金屬絲溫度為 和 時的電阻值， 為溫度系數(shù)。

由公式(1)、(2)、(3)可得：

表1 AWM 720P1流量傳感器輸出電壓與流量對照表

參照模擬電壓與流量對照表，將轉換后的數(shù)字量換算成相應的流量值，曲線擬合為折線段如下：

2 系統(tǒng)設計及實驗

2.1 硬件設計

系統(tǒng)硬件結構如圖2所示，單片機STC12C5A60S2作為核心控制器接收溫度傳感器DS18B20及流量傳感器AWM 720上傳數(shù)據(jù)，分析綜合后控制風機啟停、同時通過串口通信將傳感器數(shù)據(jù)上傳至上位機進行實時顯示[7]。

圖2 系統(tǒng)硬件設計圖

STC12C5A60S2單片機是宏晶科技生產(chǎn)的STC12系列單片機。該單片機是單時鐘/機器周期(1T)，具有高速、低功耗、超強抗干擾和無法解密諸多優(yōu)點。指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，速度快8-12倍。工作電壓為5 V，有6個16位定時器，兼容普通8051的定時器或4個外部中斷，具有看門狗和EEPROM功能，并且內部集成MAX810專用復位電路。

STC12C5A60S2A/D轉換在P1口，上電復位后P1口為弱上拉型A/D，流量傳感器輸出接P1.0引腳。該芯片ADC是逐次比較型ADC，由一個比較器和D/A轉換器構成，通過逐次比較邏輯，從最高位開始，順序地對每一輸入電壓與內置D/A轉換器輸出進行比較，經(jīng)過多次比較，使轉換所得的數(shù)字量逐次逼近輸入模擬量對應值。逐次比較型A/D轉換器具有速度高，功耗低等優(yōu)點。實驗中，控制A/D轉換速度約為250KHz。

流量傳感器選用霍尼韋爾AWM 720P1大流量傳感器，人呼吸時最大流量為80 SLPM(標準升/分鐘)，該傳感器最大可檢測流200SLPM，可以滿足試驗要求。DS18B20為一線式數(shù)字溫度傳感器，內部由64位ROM、溫度傳感器、溫度報警觸發(fā)器TH和TL與配置寄存器組成[7]。溫度測量范圍為－55℃～＋125℃,可編程為9位～12位A/D轉換精度，測溫分辨率0.0625℃，被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出。選用微型軸流引風機，其轉速由控制器輸出信號并經(jīng)過驅動模塊控制。根據(jù)人體舒適度，還可對對引風機轉速進行不同的設置。

實驗過程中，首先由流量傳感器檢測人的呼吸，通過控制算法提取出人的呼吸模式特征值并記錄保存。溫度傳感器放于口鼻附近用于感知呼氣吸氣溫度變化，當傳感器檢測到的溫度達到一定閾值時，控制器輸出信號控制風機按既有呼吸模式啟停。閾值的選取隨外界環(huán)境及人呼出氣體的不同而不同。將流量傳感器置于口鼻前端，當人呼氣時，傳感器檢測當前通過其管路的流量大小從而輸出對應的電壓值。該傳感器為單向檢測，當通過其管道的風向相反時，輸出值對應為0。試驗中，傳感器檢測人呼出氣體流量值，吸氣時檢測到的流量值為0。

2.2 軟件設計

2.2.1 呼吸信號特征記錄

圖3中紅色曲線為流量傳感器檢測到的呼吸信號波形圖，以下說明特征值記錄方法的實現(xiàn)過程及部分代碼實現(xiàn)。

圖3 呼吸信號特征值記錄

首先由流量傳感器檢測5次人的呼吸，控制器通過分析這5次呼吸數(shù)據(jù)得到平均呼氣時間與平均吸氣時間，作為模板特征值用于控制風機啟停。程序中當流量為0時控制器將其識別為吸氣過程，當流量不為零時為呼氣過程。采用定時器/計數(shù)器T0記錄呼氣與吸氣時間。全局整型變量數(shù)組iStartTim e[5]與iStop Tim e[5]分別用來保存連續(xù)吸氣時刻點與吸氣結束（呼氣）時刻點，iStartTim e數(shù)組中的元素對應每個吸氣開始時間，iStop Tim e數(shù)組中的元素對應吸氣結束（呼氣）時間。

設置單片機內部定時器T0每50m s溢出一次，全局無符號整型變量g_iCounter記錄定時器T0自單片機上電后溢出的次數(shù)。iStartTim e與iStop Tim e數(shù)組元素保存相應的g_iCoun ter值作為記錄時刻，因此記錄時刻的時間分辨率為50m s，相對于人的呼吸周期（3s左右），該分辨率可以滿足精度要求。

時間記錄部分代碼實現(xiàn)如下：

對采集到的數(shù)組進行處理，得到呼氣時間t1與吸氣時間t2。

T1 = iStartTim e[1] - iStartTim e[0];//第一個呼吸周期

為消除噪聲帶來的影響，對其進行二次平均求解。逐一比較T1/T2/T3/T4與 差值，將差值最大者去除，并求取剩余三者的平均值 。

吸氣時間：

呼氣時間：

2.2.2 風機啟停控制算法實現(xiàn)

依據(jù)呼氣時間t1與吸氣時間t2，使用unsigned int型局部變量iCount控制風機啟動時間。當iCount大于t2時停止風機；當iCount大于t1+t2時，iCount清零，同時啟動風機。

圖4 函數(shù)流程圖

2.2.3 代碼臨界段

代碼的臨界段也稱為臨界區(qū)，指處理時不可分割的代碼。一旦這部分代碼開始執(zhí)行，則不允許任何中斷打入。為確保臨界段代碼的執(zhí)行，在進入臨界段之前需關閉所有中斷，臨界段代碼執(zhí)行完以后立即開啟中斷[8]。溫度傳感器DS18B20是單總線通信，其時間片序列要求嚴格，因此其代碼部分為臨界段。

2.3 試驗過程及實驗結果

上位機與單片機之間使用串口通信，波特率設定為9600bps[9,10]。上位機采用MFC編程實時接收并顯示單片機上傳的呼吸流量數(shù)據(jù)、溫度傳感器溫度值。

系統(tǒng)上電后，將流量傳感器靠近使用者口鼻測試呼吸周期，此時上位機將實時顯示使用者的呼吸波形，如圖5所示。5次完整呼吸后，單片機接收溫度傳感器檢測到的溫度值數(shù)據(jù)。如圖6所示，呼吸波形的波谷代表環(huán)境溫度，當溫度傳感器檢測到的溫度高于環(huán)境溫度一定閾值T時，啟動單片機對風機的控制，此時風機將以已有的呼吸模式進行送風；當溫度傳感器檢測到的溫度回到環(huán)境溫度后停止單片機對風機的控制。

圖5 呼吸流量圖

3 結束語

與傳統(tǒng)的連續(xù)式供風方式相比，該方法依據(jù)人的呼吸頻率送風，起到節(jié)能功效的同時降低了長期佩戴帶來的不適感。相比實時控制系統(tǒng)，該方法則簡單易行，且避免了實時控制系統(tǒng)內部資源消耗等問題。

先驗值記錄方式有效結合了流量傳感器及溫度傳感器各自的優(yōu)點，以呼吸頻率相匹配的方式控制風機為使用者供風，可廣泛應用與便攜式裝置，其特點是方便快捷，且易于操作易于實現(xiàn)。實驗證明，該方法可穩(wěn)定且精確地控制風機按照與人體呼吸頻率相匹配的方式啟停。

圖6 溫度變化顯示圖

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