一種基于ATmega48的多功能鼾癥治療儀的研制

羅思源，譚力龍，王延琦，兀光波，萬(wàn) 紅，考希賓，姬麗靜

（兵器工業(yè)衛(wèi)生研究所，陜西 西安710065）

0 引言

睡覺(jué)打鼾是現(xiàn)代人，尤其是男士的一種常見(jiàn)病癥，打鼾使呼吸氣流受阻，呼吸暫停時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，有可能誘發(fā)缺氧性腦萎縮，甚至猝死，嚴(yán)重影響健康，也會(huì)對(duì)家人的睡眠造成影響。使用電子止鼾器可以避免手術(shù)藥物療法的副作用，是一種綠色的物理療法［1］。目前市場(chǎng)銷(xiāo)售上的電子止鼾器種類(lèi)繁多，功能各異，治療效果也參差不齊。以ATmega48V單片機(jī)為核心，充分利用AVR單片機(jī)的內(nèi)部資源，并結(jié)合其低功耗的特點(diǎn)，研制出一種全新的集止鼾、記憶、喚醒功能于一體的低功耗的智能化電子止鼾器。與現(xiàn)有市場(chǎng)產(chǎn)品比較，該系統(tǒng)功耗低，其多功能及人性化設(shè)計(jì)使操作簡(jiǎn)單，方便中老年患者使用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電子止鼾器的設(shè)計(jì)原理是，當(dāng)設(shè)備檢測(cè)佩戴好后，通過(guò)按鍵調(diào)整好適合強(qiáng)度值時(shí)，儀器偵測(cè)鼾聲后，輸出所調(diào)強(qiáng)度匹配的直流電壓對(duì)用戶(hù)進(jìn)行電擊，終止打鼾。

系統(tǒng)選用ATmega48V單片機(jī)作為核心控制芯片，通過(guò)ATmega48V單片機(jī)內(nèi)部的8路10位高精度AD轉(zhuǎn)換器對(duì)鼾聲信號(hào)的進(jìn)行采集，以及對(duì)皮膚接觸進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)單片機(jī)內(nèi)部ADC采集到鼾聲信號(hào)后，通過(guò)高壓輸出電路輸出高壓脈沖刺激人體，終止打鼾。一周內(nèi)每日打鼾次數(shù)可以使用AT-mega48V內(nèi)256字節(jié)的EEPROM存儲(chǔ)起來(lái)，以方便患者按療程進(jìn)行療效評(píng)估。系統(tǒng)還包含作為可選的定時(shí)喚醒功能。整個(gè)系統(tǒng)使用ATmega48V內(nèi)部的復(fù)位和振蕩時(shí)鐘，芯片工作主頻為128kHz。使用DC／DC升壓芯片LY1038B30將單節(jié)7號(hào)電池1.5V電壓轉(zhuǎn)換為3.0V，給系統(tǒng)供電。整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

當(dāng)皮膚接觸檢測(cè)模塊檢測(cè)到人體皮膚佩戴好儀器后，止鼾器開(kāi)始工作，鼾聲信號(hào)檢測(cè)模塊完成對(duì)鼾聲信號(hào)的檢測(cè)功能，若有鼾聲出現(xiàn)主控單片機(jī)控制引腳便會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)脈沖信號(hào)使高壓輸出電路產(chǎn)生高壓脈沖刺激人體實(shí)現(xiàn)止鼾。按鍵，LCD顯示以及LED指示燈則為系統(tǒng)提供了可視化操作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)止鼾、喚醒、記憶的功能轉(zhuǎn)換和參數(shù)調(diào)整。

系統(tǒng)工作條件是，環(huán)境溫度范圍為5～40℃；相對(duì)濕度范圍為≤90%；電池為1節(jié)7號(hào)電池，額定電壓1.5V。電源功耗情況如表1所示。

表1 電源功耗情況

2 硬件模塊的具體實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的硬件模塊主要包含Atmega48主控模塊、DC／DC升壓電路模塊、鼾聲采集和接觸檢測(cè)模塊和高壓輸出模塊，下面分別予以介紹。

2.1 Atmega48主控電路的設(shè)計(jì)［2］

采用的ATmega48V是基于AVR增強(qiáng)型RISC結(jié)構(gòu)的，8位低功耗CMOS微控制器，工作電壓為1.8～5.5V，其豐富的內(nèi)部資源可滿(mǎn)足系統(tǒng)功能的需要。

ATmega48V單片機(jī)內(nèi)部可選熔絲位的配置以及內(nèi)部復(fù)位的使用，可使系統(tǒng)工作穩(wěn)定并簡(jiǎn)化電路，節(jié)省元器件費(fèi)用。片內(nèi)集成8路10位高精度AD轉(zhuǎn)化器足夠滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)鼾聲的偵測(cè)及皮膚接觸的檢測(cè)。芯片的PD口上放置4個(gè)按鍵用于系統(tǒng)功能選擇，主要包含菜單功能、UP功能、DOWN功能和喚醒設(shè)置功能。芯片內(nèi)部含有256字節(jié)的EEPROM其掉電存儲(chǔ)，可以用于記錄病人每日打鼾次數(shù)；芯片的23個(gè)通用IO可以直接驅(qū)動(dòng)LED和液晶顯示屏，配合芯片自帶的EEPROM可以使用戶(hù)隨時(shí)記錄和查閱自己的病情數(shù)據(jù)，完成對(duì)該止鼾器的療效評(píng)估。此外，芯片內(nèi)部還有3個(gè)獨(dú)立預(yù)分頻器和PWM功能的定時(shí)計(jì)數(shù)器，用于完成止鼾器的喚醒計(jì)時(shí)功能。

ATmega48V芯片有5種休眠模式：空閑模式、ADC噪音抑制模式、省電模式、掉電模式和Standby模式，多種模式的配合使用可以使整個(gè)系統(tǒng)處于極低功耗的狀態(tài)，滿(mǎn)足電池供電要求。

2.2 DC／DC升壓LY1038系列芯片電路設(shè)計(jì)

DC／DC升壓轉(zhuǎn)換模塊主要使用了深圳聯(lián)益微電子公司的LY1038系列升壓芯片，其低紋波及低噪聲性能可以極大地改善周?chē)娐穼?duì)輸出電壓的干擾。其工作電壓范圍為0.9～6.5V，可以完成以±2.5%的精度輸出2.0～7.0V電壓，滿(mǎn)足本系統(tǒng)的電池供電要求。

系統(tǒng)采用單節(jié)7號(hào)電池作為供電電源，通過(guò)選升壓芯片將其1.5V電壓轉(zhuǎn)換為3.0V為系統(tǒng)供電。升壓電路電路圖應(yīng)用原理如圖2所示。

圖2 電源升壓電路原理

設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)：給止鼾器采用電池額定電壓的90%供電，測(cè)量脈沖輸出幅度、脈沖寬度和頻率，與電池額定電壓供電時(shí)的對(duì)應(yīng)值比較；驗(yàn)證了電池電壓波動(dòng)－10%對(duì)止鼾器脈沖輸出幅度、寬度和頻率的影響在±10%范圍內(nèi)。

2.3 鼾聲采集及接觸檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

鼾聲采集及接觸檢測(cè)的原理是，通過(guò)三極管的放大作用，完成對(duì)麥克風(fēng)的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，利用三極管負(fù)反饋?zhàn)饔锰岣呷龢O管放大的穩(wěn)定性，從而減小信號(hào)失真。放大后的信號(hào)通過(guò)三極管的G3的開(kāi)關(guān)作用得到可供單片機(jī)AD采集的方波信號(hào)。

鼾聲檢測(cè)電路的原理如圖3所示，前級(jí)放大電路在負(fù)反饋電阻上并聯(lián)電容C5（消振電容），是為了對(duì)高頻信號(hào)產(chǎn)生并聯(lián)電壓負(fù)反饋，從而消除放大器的高頻自激現(xiàn)象，使放大器工作穩(wěn)定。而電容C3，C4則是起到隔直通交作用，濾除直流信號(hào)的影響。

圖3 鼾聲檢測(cè)電路原理

2.4 高壓輸出電路設(shè)計(jì)

高壓輸出模塊利用了電感的電磁儲(chǔ)能原理，在電路導(dǎo)通的瞬間電感開(kāi)始儲(chǔ)能，在關(guān)斷的瞬間，由于電感上的電流不能突變，強(qiáng)行關(guān)斷會(huì)在關(guān)斷處產(chǎn)生比較高的脈沖電壓。系統(tǒng)中的高壓輸出電路如圖4所示，單片機(jī)PB1口輸出占空比可調(diào)的脈沖，控制三極管完成電感的能量傳遞。當(dāng)控制信號(hào)為高電平時(shí)，控制三極管G4的導(dǎo)通，輸入電源VCC對(duì)電感L2瞬間充電，完成電能到磁能的快速轉(zhuǎn)換；當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí)，三極管G4關(guān)斷，電感上原本儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能又轉(zhuǎn)換成電場(chǎng)能，由于電感上的電流不能突變，則在G4的集電極會(huì)產(chǎn)生高電壓，并通過(guò)旁路D2二極管給電容充電。一次充電能量有限，電路通過(guò)隔離二極管給電容的多次充電實(shí)現(xiàn)能量累積，可以把3V直流電壓，經(jīng)過(guò)多次電容儲(chǔ)能后升壓到200V以上，以達(dá)到最終在電容產(chǎn)生比較高的脈沖電壓和具有相應(yīng)的電能。當(dāng)人體接觸電極片（電極片為醫(yī)用橡膠）時(shí)會(huì)對(duì)人體等能夠產(chǎn)生刺激效果［3］。

圖4 高壓輸出原理

根據(jù)以上原理，對(duì)圖4所示電路的性能特進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制脈沖由AT－mega48V單片機(jī)產(chǎn)生，PB1＝1，電感充電儲(chǔ)能，（由R L構(gòu)成的一階系統(tǒng)L＝0.22mL，其內(nèi)阻為26Ω，則充電時(shí)間大約為0.7 L／R＝0.7×0.22／26ms＝5.9μs）考慮三極管的開(kāi)關(guān)上升時(shí)間等影響，取電感充電脈沖寬度為60μs，PB1＝0關(guān)斷G4，將電感給電容C10充電，取電感放電脈寬為20μs，充電頻率為1.25kHz。

人體電阻因人而異，與人的體質(zhì)、皮膚潮濕程度、年齡和性別有關(guān)，通常為1 000～2 000Ω。

a.在誤差范圍為±10%的1 000Ω負(fù)載阻抗下，測(cè)量輸出電流，結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)。

b.在誤差范圍為±10%的1 000Ω負(fù)載阻抗下，按用采樣率不低于500kS／s的示波器測(cè)量，結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)選擇AVR＿studio，它是一款免費(fèi)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE，包括了AVR Assembler編譯器、AVR Studio調(diào)試功能、AVR Prog串行、并行下載功能和JTAG ICE仿真等功能。

整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程為：當(dāng)止鼾器開(kāi)機(jī)供電時(shí)，首先液晶模塊進(jìn)行初始化工作，當(dāng)皮膚未接觸時(shí)，雙色指示燈黃燈會(huì)處于閃爍狀態(tài)，皮膚接觸時(shí)變?yōu)榧t燈閃爍，當(dāng)用戶(hù)首次按下菜單鍵時(shí)，配合液晶顯示可進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)節(jié)，與此同時(shí)輸出高壓，便于用戶(hù)根據(jù)自身情況選擇適合自己的電擊強(qiáng)度，再次按下菜單鍵可以通過(guò)調(diào)出存在EEPROM一周內(nèi)的電擊次數(shù)記憶進(jìn)行查閱，從而判斷療效，喚醒作為可選功能由用戶(hù)自己選用，功能如同鬧鐘，由ATmega48V內(nèi)部定時(shí)器完成對(duì)所設(shè)時(shí)間的定時(shí)功能，時(shí)間到則會(huì)對(duì)用戶(hù)進(jìn)行短暫電刺激以便喚醒用戶(hù)。此外，多功能智能化的止鼾器平時(shí)會(huì)處于極低功耗狀態(tài)，液晶的背光在打開(kāi)30s會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，而在用戶(hù)按下任意按鍵時(shí)又會(huì)重新點(diǎn)亮，使得系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保延長(zhǎng)電池壽命。當(dāng)用戶(hù)使用后未關(guān)機(jī)時(shí)，系統(tǒng)還在開(kāi)機(jī)8h會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)，更加人性化。

依據(jù)程序的運(yùn)行過(guò)程，系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)主體部分包括定時(shí)器中斷部分、初始化部分以及主循環(huán)部分。初始化部分，完成各模塊初始化工作，并將存儲(chǔ)在EEPROM的記憶次數(shù)讀取到緩存區(qū)內(nèi)方便查閱調(diào)用和實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。定時(shí)器中斷部分完成定時(shí)功能包括喚醒定時(shí)、關(guān)機(jī)定時(shí)、指示燈閃爍定時(shí)、背光定時(shí)等等；主循環(huán)部分則是進(jìn)行按鍵掃描與液晶顯示，以及對(duì)皮膚接觸和鼾聲偵測(cè)的AD采集以及電擊脈沖輸出部分和對(duì)EEPROM的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

圖5 主程序流程

4 結(jié)束語(yǔ)

以ATmega48V為主控芯片，設(shè)計(jì)研制了一款全新的集止鼾、記憶、喚醒功能于一體的低功耗的智能化電子止鼾器，止鼾器充分利用了ATmega48V單片機(jī)的內(nèi)部資源，具備多功能、智能化、低功耗等特點(diǎn)，在未來(lái)醫(yī)療器械市場(chǎng)上受到青睞。

［1］ 蘇志錕.YY 0607-2007《醫(yī)用電氣設(shè)備第2部分：神經(jīng)和肌肉刺激器安全專(zhuān)用要求》第8篇的檢驗(yàn)技巧［J］.中國(guó)醫(yī)療器械信息，2009，15（8）：63-64.

［2］ ATmel公司.ATmega48／V Datasheet［Z］.2007.

［3］ 倪陳強(qiáng).基于AT90S8535的智能止鼾器的研究［J］.醫(yī)療裝備，2007，20（11）：8-10.