高壓氧艙智能新型自動(dòng)測(cè)氧儀的研制

皇甫德俊，周曉東，邱永斌，張 玉，姚文坡，羊 元，谷 均，陳興東

HUANGFU De-jun1,ZHOU Xiao-dong1,QIU Yong-bin1,ZHANG Yu1, YAO Wen-po2,YANG Yuan1,GU Jun1,CHEN Xing-dong1(1.Tangshan Branch of Nanjing General Hospital of Nanjing Military Area Command,Nanjing 211131,China; 2.Department of Equipment,Nanjing General Hospital of Nanjing Military Area Command,Nanjing 210002,China)

高壓氧艙智能新型自動(dòng)測(cè)氧儀的研制

皇甫德俊，周曉東，邱永斌，張 玉，姚文坡，羊 元，谷 均，陳興東

目的：克服以往測(cè)氧儀的不足，設(shè)計(jì)出一款用于高壓氧艙氧體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)的智能新型測(cè)氧儀。方法：在高壓氧艙引出的氣體采樣重要位置點(diǎn)放置相應(yīng)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)單片機(jī)處理分析，判斷出引入測(cè)氧儀氧電極的采集氣樣是否來自氧艙艙內(nèi)。若監(jiān)測(cè)到是異常來源氣樣，工作人員可通過聲光報(bào)警和文字閃爍提示來調(diào)整采樣閥開閉及開度大小。當(dāng)氧體積分?jǐn)?shù)超過23%時(shí)，則通過測(cè)氧儀RS232串口發(fā)出控制信號(hào)至氧艙主操控系統(tǒng)，迫使氧艙進(jìn)行自動(dòng)換氣或減壓出艙的控制操作，從而保證了整個(gè)氧艙的安全性。結(jié)果：智能新型測(cè)氧儀不僅具有正常測(cè)氧功能，而且可對(duì)所涉及到的氣樣采樣部分進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和跟蹤，避免了誤操作導(dǎo)致的安全事故。結(jié)論：通過試驗(yàn)驗(yàn)證，各項(xiàng)功能符合設(shè)計(jì)要求，可進(jìn)一步保障高壓氧艙運(yùn)行安全，同時(shí)可為氧艙制造廠商提供一定的安全設(shè)計(jì)提示。

測(cè)氧儀；高壓氧艙；智能控制；氧體積分?jǐn)?shù)

0 引言

測(cè)氧儀作為氧艙系統(tǒng)的重要組成部分，在氧艙的安全監(jiān)控及氧體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)方面起著重要作用，已成為保障高壓氧艙系統(tǒng)安全運(yùn)行的一種重要安全附件。在測(cè)氧儀上能嚴(yán)密地觀察到艙內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)的變化，氧體積分?jǐn)?shù)的異常變化對(duì)高壓氧治療有著潛在的危險(xiǎn)性[1]。據(jù)報(bào)道，我國(guó)從1965—2011年共發(fā)生38起醫(yī)用氧艙事故[2]。這些氧艙事故的發(fā)生大部分都有氧體積分?jǐn)?shù)超標(biāo)的現(xiàn)象，加之有火源和可燃物，就造成了這一起起悲劇的發(fā)生。氧的體積分?jǐn)?shù)越高，越易燃燒，燃燒越激烈。氧體積分?jǐn)?shù)在30%以上時(shí)可加速燃燒，達(dá)到35%時(shí)可瞬間燃燒，達(dá)到42%時(shí)可引起爆燃。所以，就氧艙而言，如果艙內(nèi)無明火或可燃物，只要嚴(yán)格控制氧體積分?jǐn)?shù)在23%以內(nèi)[3]，就可以預(yù)防和消除火災(zāi)。在高壓氧艙的實(shí)際運(yùn)行中，雖然有測(cè)氧儀的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)使氧體積分?jǐn)?shù)控制在一個(gè)安全值范圍內(nèi)，但依然會(huì)發(fā)生火災(zāi)爆燃安全事故[4]。圖1是高壓氧艙測(cè)氧部分的設(shè)計(jì)示意圖（無關(guān)部分未畫出），從中我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一定的問題。

圖1 高壓氧艙測(cè)氧部分設(shè)計(jì)示意圖

如圖1所示，在氧艙設(shè)計(jì)過程中，從氧艙內(nèi)引出一根氣體采集管，依次經(jīng)過氣樣采樣閥、氣體流量計(jì)，最后送到測(cè)氧儀的氧電極中。測(cè)氧儀不斷采集流經(jīng)測(cè)氧儀氧電極氣體中的氧含量，若有異常則立即聲光報(bào)警，同時(shí)測(cè)氧儀會(huì)送出一個(gè)信號(hào)給氧艙控制主機(jī)，此時(shí)計(jì)算機(jī)主機(jī)若在全自動(dòng)控制下，會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)換氣功能，保證艙內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)小于23%，處于一個(gè)安全值內(nèi)。從設(shè)計(jì)表面看無任何問題，其實(shí)在這樣的設(shè)計(jì)中深藏著一個(gè)重大的安全隱患。因?yàn)椴倥撊藛T在實(shí)際操艙中有時(shí)會(huì)忘記開啟氣樣采樣閥，此時(shí)系統(tǒng)若沒有任何報(bào)警提示，當(dāng)氧艙內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)大于23%時(shí)，測(cè)氧儀依然會(huì)顯示正常值，因?yàn)檫@時(shí)測(cè)氧儀采集的氣體氧體積分?jǐn)?shù)是滯留在氧電極中的氧體積分?jǐn)?shù)，而非艙內(nèi)實(shí)際氧體積分?jǐn)?shù)，這是極其危險(xiǎn)的，若艙內(nèi)此時(shí)具備火源和可燃物，氧艙就可能發(fā)生爆炸[5]。針對(duì)設(shè)計(jì)中的不足，本文重新設(shè)計(jì)了一款智能型測(cè)氧儀，將有效解決此問題。

1 工作原理

在ATmega16[6]單片機(jī)的控制下，在氧艙和氣樣采樣閥之間的采樣管上接入壓力變送器，對(duì)高壓氧艙中的壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，在氣體流量計(jì)出氣口依次串接智能型測(cè)氧儀中的氧電極和氣體流量傳感器。此舉是當(dāng)艙內(nèi)有壓力時(shí)，智能型測(cè)氧儀對(duì)采樣氣體依次流過氧電極和氣體流量傳感器的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，以此來確定氧電極中的待測(cè)氣體是否為艙內(nèi)引出的實(shí)時(shí)流過的采樣氣體，以判斷氣樣采樣閥是否打開，為智能型測(cè)氧儀工作在正常采集測(cè)氧狀態(tài)提供判定基礎(chǔ)。在確定氣樣采樣閥處于開啟狀態(tài)時(shí)，智能型測(cè)氧儀中的氧電極所測(cè)得的氣樣為來自艙內(nèi)的實(shí)時(shí)氣樣。氧電極測(cè)得的氣樣數(shù)據(jù)送入ATmega16單片機(jī)，經(jīng)溫度曲線修正處理后輸出氧體積分?jǐn)?shù)值，因?yàn)檠蹼姌O對(duì)氧體積分?jǐn)?shù)的測(cè)定受溫度影響，所以在氧電極的氣室中放置一個(gè)高精度的溫度傳感器DS18B20，用于氣樣的溫度采集，以此對(duì)氧體積分?jǐn)?shù)值進(jìn)行修正補(bǔ)償，使輸出值更為準(zhǔn)確。若壓力傳感器檢測(cè)到艙內(nèi)有壓力，而氣體流量傳感器卻檢測(cè)不到采樣氣體經(jīng)過，則立即觸發(fā)聲光報(bào)警，同時(shí)在顯示屏上不停地閃爍提示報(bào)警文字信息。這樣可從多方面提示工作人員打開采樣閥，避免因操作疏忽引發(fā)安全問題。當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)氣體流量傳感器未能檢測(cè)到氣樣的流量，單片機(jī)則通過RS232串口給氧艙操艙主機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出異常數(shù)據(jù)信息，讓操艙主機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)換氣功能，使氧艙內(nèi)的氧體積分?jǐn)?shù)始終保持在一個(gè)安全值內(nèi)，或根據(jù)當(dāng)時(shí)條件判斷終止操艙進(jìn)程直接進(jìn)行減壓出艙操作。在報(bào)警電路、顯示電路、打印電路、存儲(chǔ)電路、異步串口傳送電路等共同參與下協(xié)同完成全部的采集測(cè)氧相關(guān)工作。具體改進(jìn)如圖2所示。

圖2 高壓氧艙測(cè)氧部分改進(jìn)設(shè)計(jì)圖

此次設(shè)計(jì)的智能新型自動(dòng)測(cè)氧儀在原有的測(cè)氧基礎(chǔ)上增加了壓力檢測(cè)部分和流量檢測(cè)部分，在穩(wěn)定可靠的ATmega16單片機(jī)核心控制下，依托下位機(jī)相應(yīng)的軟件，圍繞智能測(cè)氧儀是否處于正常艙內(nèi)氣樣采集狀態(tài)及顯示實(shí)際艙內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)的一套完整系統(tǒng)而展開設(shè)計(jì)，具體電路原理圖如圖3所示。

圖3 智能新型自動(dòng)測(cè)氧儀電路原理圖

2 硬件部分

2.1 單片機(jī)

此次的設(shè)計(jì)主要采用Atmel公司的ATmega16單片機(jī)。ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)[7]（reduced instruction set computer，RISC）結(jié)構(gòu)的低功耗8 bit微控制器。內(nèi)核具有豐富的指令集，其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間使得數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，所有的寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元（arithnretic and logic unit，ALU）相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問2個(gè)獨(dú)立的寄存器。

2.2 氧電極

本次設(shè)計(jì)所采用的氧電極中的傳感器均為固態(tài)電化學(xué)傳感器[8-9]，氧電極測(cè)氧原理為：將含氧的參比氣體或待測(cè)氣體通過采集管引入氧電極的氣室中，待測(cè)氣體與固態(tài)電化學(xué)氧傳感器發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生與采集氣體中氧體積分?jǐn)?shù)成正比的電信號(hào)輸出。氧電極主要由傳感電極（或工作電極）和反電極組成，并由一個(gè)薄電解層隔開。同時(shí)，在采集氣室內(nèi)為了彌補(bǔ)待測(cè)氣體溫度的變化對(duì)傳感器內(nèi)部透氧膜的透氧率產(chǎn)生影響，而致擴(kuò)散電流輸出漂移，我們?cè)谘蹼姌O的氣室內(nèi)放置一個(gè)溫度傳感器用于溫度跟蹤監(jiān)測(cè)。溫度的變化會(huì)使電信號(hào)輸出值產(chǎn)生一定的偏移，一般當(dāng)溫度高于20℃時(shí)，傳感器的電信號(hào)輸出值隨著溫度升高而升高；當(dāng)溫度低于20℃時(shí)，傳感器的輸出值隨著溫度降低而降低。因此，在氧電極氣室內(nèi)采用精密的溫度傳感器進(jìn)行溫度采集，將有效地彌補(bǔ)實(shí)際產(chǎn)生的誤差，經(jīng)單片機(jī)處理補(bǔ)償修正后，可得到精準(zhǔn)穩(wěn)定的結(jié)果，同時(shí)可拓寬測(cè)量范圍。氣室被打開狀態(tài)下的氧電極如圖4所示，具體實(shí)施電路如圖5所示。

圖4 氧電極

圖5 實(shí)施電路圖

氧電極傳感器把0%～30%以內(nèi)的氧體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換成4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。經(jīng)LM324放大器放大后送入單片機(jī)PA4腳，經(jīng)ATmega16單片機(jī)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analog digital converter，ADC）轉(zhuǎn)換后，可以將連續(xù)的模擬量通過10 bit的逐次逼近型ADC轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量，方便單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理。由溫度傳感器DS18B20[10]采集的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)溫度補(bǔ)償綜合分析，最后得出精準(zhǔn)的氧體積分?jǐn)?shù)值。氧電極產(chǎn)生的電流（I）與空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)成線性關(guān)系

式中，K為電極常數(shù)，由氧的擴(kuò)散系數(shù)、擴(kuò)散層厚度及陰極面積決定；A為氧在隔膜中的滲透率，與膜材料及厚度等有關(guān)；C（O2）為空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)。由式（1）可知，氧探頭最后輸出電流信號(hào)，且電流量和氧氣的體積分?jǐn)?shù)成線性關(guān)系。

2.3 氣體流量傳感器

本次設(shè)計(jì)采用FSG系列小流量氣體質(zhì)量流量傳感器，該傳感器靈敏度高，具有極小的始動(dòng)流量，傳感芯片采用熱質(zhì)量流量計(jì)量，無需溫度及壓力補(bǔ)償，保障了傳感器的高精度計(jì)量。傳感器零點(diǎn)穩(wěn)定度較傳統(tǒng)的熱式質(zhì)量流量計(jì)有極大的不同，結(jié)合微控制器智能技術(shù)，使該流量傳感器重復(fù)性好，實(shí)現(xiàn)了計(jì)量準(zhǔn)確可靠。高壓氧艙的采樣氣體屬于清潔氣體且流量小，選用FSG系列小流量氣體質(zhì)量流量傳感器是非常適合的。獨(dú)特的封裝技術(shù)使之可同氧電極的排氣管直接對(duì)接，易安裝。傳感器管腳以模擬量4～20 mA輸出，通過外接LM324放大電路，最后轉(zhuǎn)換成1～5 V的模擬信號(hào)輸出，直接同ATmega16單片機(jī)的PA5腳進(jìn)行對(duì)接。氣體流量傳感器的引腳圖如圖6所示。

圖6 氣體流量傳感器的引腳圖

2.4 壓力變送器

壓力變送器的核心部件是一個(gè)應(yīng)變橋。它是在一塊硅基片上由激光光刻出4個(gè)阻值高度接近的電阻，使之組成一個(gè)平衡電橋。當(dāng)硅基片受到壓力作用產(chǎn)生微小形變時(shí)，4個(gè)橋臂的電阻受到不同壓力，阻值變化也不同，使電橋失去平衡狀態(tài)，橋路有電壓輸出。傳感器輸出的這一電壓信號(hào)與供電電壓、橋臂電阻的阻值相關(guān)。由于橋路電路由恒流源供電，這時(shí)輸出信號(hào)僅與橋臂阻值的變化有關(guān)。阻值的變化與所受壓力成正比，信號(hào)電壓大小就與壓力信號(hào)強(qiáng)弱成正比。此信號(hào)經(jīng)過前置放大電路、溫度補(bǔ)償?shù)入娐?，最后轉(zhuǎn)換為4～20 mA的輸出電流信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓力的測(cè)量。此次設(shè)計(jì)主要采用美國(guó)MEAS生產(chǎn)的M5156-000005-006BG高精度壓力變送器，主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)小巧，螺紋接口1/4/NPT，量程0.6 MPa，輸出信號(hào)4～20 mA，在安裝和信號(hào)采集上非常便捷。同樣通過LM324放大電路轉(zhuǎn)換成1～5 V的模擬信號(hào)輸出，最后同ATmega16單片機(jī)的PA6腳進(jìn)行對(duì)接，其外觀和核心應(yīng)變橋如圖7所示。

圖7 壓力變送器外觀及其核心應(yīng)變橋

2.5 聲光報(bào)警電路

電路中使用單片機(jī)的PB0口控制三極管8550的通斷來使蜂鳴器發(fā)聲和發(fā)光管閃爍（如圖8所示）。三極管在這里的作用有2個(gè)：（1）開關(guān)作用，控制蜂鳴器和發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）的電源電路的通斷；（2）提供蜂鳴器發(fā)聲所需的較高電流，單片機(jī)的I/O口驅(qū)動(dòng)能力有限，借助三極管電流放大的作用來放大電流，促使蜂鳴器獲得足夠的驅(qū)動(dòng)電流，并控制LED閃爍。

圖8 聲光報(bào)警電路圖

如圖8所示，在蜂鳴器兩端并聯(lián)了一個(gè)二極管，這個(gè)二極管稱為續(xù)流二極管。蜂鳴器本質(zhì)上是一個(gè)感性元件，其電流不能瞬變，因此必須有一個(gè)續(xù)流二極管提供續(xù)流。否則，在蜂鳴器兩端會(huì)產(chǎn)生幾十伏的尖峰電壓，可能損壞驅(qū)動(dòng)三極管，并干擾整個(gè)電路系統(tǒng)的其他部分。濾波電容C21和C22的作用是濾波，濾除蜂鳴器電流對(duì)其他部分的影響，也可改善電源的交流阻抗，穩(wěn)壓二極管D2是保護(hù)LED的。

2.6 串口電路

由于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的信號(hào)電壓是TTL電平0～+5 V，而計(jì)算機(jī)串口RS232電平是-12～+12 V，因此要和計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信首先要解決電平轉(zhuǎn)換的問題[11]。此次設(shè)計(jì)采用MAX232芯片作為單片機(jī)和計(jì)算機(jī)串口之間進(jìn)行通信的轉(zhuǎn)換部件，使用+5 V單電源供電。MAX232芯片也是美信公司專門為計(jì)算機(jī)的RS232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的接口電路，內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本分為3個(gè)部分：（1）電荷泵電路，功能是產(chǎn)生+12 V和-12 V 2個(gè)電源電平，提供RS232串口電平的需要；（2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道，構(gòu)成2個(gè)數(shù)據(jù)通道；（3）供電電路，如圖9所示。

圖9 串口連接電路圖

2.7 液晶顯示模塊

HA12864K-ZK5模塊是由成都宏安電子有限公司生產(chǎn)的一款漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，它采用臺(tái)灣矽創(chuàng)電子公司生產(chǎn)的7ST7920中文圖形控制器，能夠顯示128像素×64像素的圖形或者4行16點(diǎn)陣× 16點(diǎn)陣的中文字符，內(nèi)置8 192個(gè)中文漢字。外圍用少量阻、容元件即可，結(jié)構(gòu)件等裝配在印制電路板（printed circuit board，PCB）上。整個(gè)模塊結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧、容易裝配；由單+5 V電源供電，具有低功耗、長(zhǎng)壽命、高可靠性的特點(diǎn)。其引腳定義如圖10所示。既可以采用并行連接，也可以采用串行連接。本次設(shè)計(jì)采用并行方式連接，其連接方式如圖10所示。

圖10 液晶顯示模塊與單片機(jī)連接圖

2.8 時(shí)鐘電路

DS1302是美國(guó)DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（random access memory，RAM）的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路[12-13]，它可以對(duì)年、月、周、日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5～5.5 V。采用三線接口與中央處理器（central processing unit，CPU）進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM數(shù)據(jù)。

DS1302的引腳排列，其中VCC為主電源，NC為后備電源，它在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。DS1302由NC或VCC二者中的較大者供電：當(dāng)VCC大于NC+0.2 V時(shí)，VCC給DS1302供電；當(dāng)VCC小于NC時(shí)，DS1302由NC供電。X1和X2是振蕩源，外接32.768 kHz晶振。采用reset（RST）復(fù)位/片選線，通過把RST輸入驅(qū)動(dòng)置高電平來啟動(dòng)所有的數(shù)據(jù)傳送。RST輸入有2種功能：（1）RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器。（2）RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)傳送的方法。當(dāng)RST為高電平時(shí)，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對(duì)DS1302進(jìn)行操作。如果在傳送過程中，RST置為低電平，則會(huì)終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運(yùn)行時(shí)，在VCC＞2.0 V之前，RST必須保持低電平。只有在串行時(shí)鐘（serial clock，SCLK）為低電平時(shí)，才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端（雙向），SCLK為時(shí)鐘輸入端。DS1302的連接圖如圖11所示。

圖11 DS1302的連接圖

2.9 打印電路

打印機(jī)采用的是北京的思普瑞特SP-DⅢ微型熱敏打印機(jī)（如圖12所示），此打印機(jī)支持中文、西文和字符打印，采用熱敏打印，接口方式可以采用串行接口或并行接口，本次與單片機(jī)采用同步串行方式連接，電源采用5 V/3 A直流電源供電。具有體積小、質(zhì)量輕、功能完備、速度高、清晰度高、外觀美麗、操作簡(jiǎn)單、連接方便等優(yōu)點(diǎn)。

圖12 SP-DⅢ微型熱敏打印機(jī)

3 軟件部分

軟件開發(fā)采用ImageCraft公司集成開發(fā)環(huán)境的ICCAVR開發(fā)工具，ICCAVR綜合了編輯器、工程管理器和C編譯器的集成開發(fā)環(huán)境（integrated development environment，IDE）。同時(shí)可無縫對(duì)接AVR_ Studio軟件調(diào)試器，可對(duì)ICCAVR編譯輸出的*cof映像文件進(jìn)行軟件調(diào)試，使此平臺(tái)開發(fā)出的軟件更高效、便捷。

系統(tǒng)啟動(dòng)后按照如圖13所示的流程圖執(zhí)行操作，開始進(jìn)行系統(tǒng)初始化。微控制單元（microcon troller unit，MCU）對(duì)接入氧艙的采集管路上的壓力傳感器和氣體流速傳感器進(jìn)行壓力及氣體流速采樣。通過實(shí)時(shí)壓力采集主要檢測(cè)氧艙是否處于加壓或運(yùn)行狀態(tài)，若處于操艙運(yùn)行中，MCU依據(jù)壓力狀態(tài)可判斷出是否有氧艙的采樣氣樣流過氣體流量傳感器，這是因?yàn)闅怏w流量傳感器串接在采集管路的末端，所以氣體流過氣體流量傳感器必然流過氧電極；若在壓力狀態(tài)下沒有檢測(cè)到采樣氣體流經(jīng)氣體流量傳感器，則采樣閥肯定未能按照要求開啟，此時(shí)會(huì)觸發(fā)聲光報(bào)警，并在顯示屏上閃爍提示“請(qǐng)打開采樣閥”字樣。通過幾方面的報(bào)警提示，工作人員便知曉在操艙時(shí)忘記了采樣閥的開啟。若單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)遲遲檢測(cè)不到采樣氣體的流速，則會(huì)通過RS232異步串口向氧艙操艙主機(jī)發(fā)出停止艙內(nèi)加壓干預(yù)數(shù)據(jù)信號(hào)，迫使主機(jī)操艙加壓停止。此舉的軟件設(shè)計(jì)是一種安全防范保護(hù)，若在壓力狀態(tài)下串接在氣樣采集管路中的氣體流量傳感器檢測(cè)到氣體流量，則證明采樣閥工作在正常的開啟狀態(tài)，此時(shí)測(cè)得的氧體積分?jǐn)?shù)是有效的氧體積分?jǐn)?shù)值，通過顯示屏實(shí)時(shí)地顯示其值。如果測(cè)得的氧體積分?jǐn)?shù)≥23%，則通過RS232異步串口給操艙主機(jī)送出氧艙換氣控制信號(hào)。啟動(dòng)換氣功能，同時(shí)顯示屏上閃爍著超標(biāo)的氧體積分?jǐn)?shù)值，換氣后的氧體積分?jǐn)?shù)值不斷下降，在氧電極的不斷檢測(cè)下，氧體積分?jǐn)?shù)值將回落到正常值，此時(shí)聲光報(bào)警狀態(tài)消除，可以繼續(xù)進(jìn)行高壓氧治療。如果氧體積分?jǐn)?shù)持續(xù)單位時(shí)間內(nèi)依然回落不到正常值，且還有不斷上升跡象，當(dāng)壓強(qiáng)值為0.2 MPa，且氧體積分?jǐn)?shù)≥24%時(shí)，單片機(jī)則通過RS232異步串口向操艙主機(jī)系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)終止治療的控制信號(hào)，讓操艙主機(jī)執(zhí)行減壓出艙的動(dòng)作。

圖13 系統(tǒng)執(zhí)行流程圖

4 測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證此系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果，模擬現(xiàn)實(shí)操作中疏忽開啟采樣閥的情形，選擇了2個(gè)壓強(qiáng)點(diǎn)進(jìn)行逐一測(cè)試。首先關(guān)閉采樣閥，然后進(jìn)行氧艙加壓，當(dāng)壓力值由相對(duì)壓強(qiáng)0.00 MPa開始逐漸緩緩上升到0.01 MPa時(shí)，測(cè)氧儀聲光報(bào)警，同時(shí)顯示屏閃爍顯示“請(qǐng)打開采樣閥”，這時(shí)加壓停止，開啟采樣閥后，聲光報(bào)警立即停止，且顯示屏上顯示的內(nèi)容變成氧體積分?jǐn)?shù)19.8%，加壓暫停狀態(tài)立即轉(zhuǎn)變

（????）（????）成加壓狀態(tài)。當(dāng)壓強(qiáng)升至0.1 MPa時(shí)，為了再次測(cè)試系統(tǒng)對(duì)加壓中因誤操作導(dǎo)致的采樣閥關(guān)閉行為的報(bào)警，而人為地關(guān)閉采樣閥，此刻聲光和顯示屏閃爍提示信息同時(shí)報(bào)警，加壓狀態(tài)立刻中斷。接下來為了驗(yàn)證氧體積分?jǐn)?shù)超標(biāo)報(bào)警，分別在壓強(qiáng)為0.05、0.08、0.1 MPa時(shí)進(jìn)行混合氣體（混合氣體氧體積分?jǐn)?shù)為25%）輸入，結(jié)果在每個(gè)壓強(qiáng)點(diǎn)都出現(xiàn)了聲光報(bào)警和顯示屏閃爍“氧體積分?jǐn)?shù)25%”的報(bào)警提示。每一次氧體積分?jǐn)?shù)超標(biāo)都出現(xiàn)了功能換氣，換氣之后都能使氧體積分?jǐn)?shù)從超標(biāo)后的25%一直回落到22%。氧體積分?jǐn)?shù)回落到正常值后報(bào)警狀態(tài)立即消失且換氣停止。通過以上功能性測(cè)試，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

通過此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以解決因測(cè)氧部分操作不當(dāng)而引發(fā)的安全隱患問題，使原有的采集測(cè)氧部分設(shè)計(jì)不足得到了進(jìn)一步的改善，發(fā)揮了智能檢測(cè)控制系統(tǒng)應(yīng)有的功能和特色，使氧艙能很好地防范氧體積分?jǐn)?shù)異常的安全風(fēng)險(xiǎn)。

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（收稿：2014-11-21 修回：2015-03-18）

Development of intelligent automatic oxygen analyzer for hyperbaric oxygen chamber

ObjectiveTo design an intelligent oxygen analyzer for monitoring oxygen volume fraction in the hyperbaric oxygen chamber.MethodsData were acquired at some positions with the sensors,and then processed and analyzed with the SCM to determine if the oxygen sample was from the oxygen chamber.If the oxygen sample proved to be abnormal,the staff was reminded to by sound light alarm or flashing characters to regulate the sampling valve.When the oxygen volume fraction exceeded 23%,control signals were sent from RS232 serial port of the oxygen analyzer to the main control system of the oxygen chamber to activate automatic ventilation or decompression,so that the safety of the chamber could be ensured.ResultsThe oxygen analyzer had the functions of oxygen detection as well as monitoring and tracing of oxygen sample,and thus eliminated the possibility of safety accidents due to misoperation.ConclusionThe safety of the hyperbaric oxygen chamber is enhanced,and references are provided to the manufacturer for safety design.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（8）：10-14，25]

oxygen meter;hyperbaric oxygen chamber;Intelligent control;oxygen volume fraction

R318.6；R197.39

A

1003-8868（2015）08-0010-06

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.08.010

HUANGFU De-jun1,ZHOU Xiao-dong1,QIU Yong-bin1,ZHANG Yu1, YAO Wen-po2,YANG Yuan1,GU Jun1,CHEN Xing-dong1
(1.Tangshan Branch of Nanjing General Hospital of Nanjing Military Area Command,Nanjing 211131,China; 2.Department of Equipment,Nanjing General Hospital of Nanjing Military Area Command,Nanjing 210002,China)

專利：國(guó)家實(shí)用新型專利（ZL 201220152876.4）

皇甫德?。?974—），男，副主任，工程師，主要從事醫(yī)療器械管理、設(shè)計(jì)與維修方面的研究工作，E-mail：hpxhl@163.com。

211131南京，南京軍區(qū)南京總醫(yī)院湯山分院（皇甫德俊，周曉東，邱永斌，張 玉，羊 元，谷 均，陳興東）；210002南京，南京軍區(qū)南京總醫(yī)院設(shè)備科（姚文坡）

陳興東，E-mail：152797295@qq.com