濕化儀溫度系統(tǒng)

李思堯 王志文

摘?要：現(xiàn)如今因?yàn)樽陨硪约巴饨缈諝猸h(huán)境的諸多問題，患有呼吸類疾病的人逐漸增多。呼吸濕化治療儀可在患者高流量氧療的過程當(dāng)中，可調(diào)整吸入氧的濃度、溫度和濕度，從而達(dá)到更好的氣道管理。在本文中側(cè)重研究呼吸濕化治療儀的溫度部份。在本次設(shè)計(jì)中針對呼吸機(jī)的溫度部分，采用不同的方法對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。對溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)采用不同的處理方式進(jìn)行非線性處理，最主要的是熱敏電阻。

關(guān)鍵詞：高流量濕化呼吸治療儀;呼吸機(jī);溫度測量

中圖分類號：TP216文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

當(dāng)代，呼吸病患者逐年增多，一個(gè)符合人體氣道需要的呼吸濕化治療儀越來越重要。隨著生活水平的進(jìn)步，人們開始更加關(guān)注自身的健康問題，之前未被大家重視的睡眠健康也漸漸引起了更多人的關(guān)注，這一現(xiàn)象無疑為無創(chuàng)呼吸機(jī)開辟了很大的市場。呼吸濕化治療儀是一種新型的具有加濕加溫作用的呼吸機(jī)。相較于普通的機(jī)械呼吸機(jī)，更符合患者呼吸道的需要，提高血氧飽和度，不僅能夠用來幫助呼吸困難的人群順暢呼吸，還具有治療呼吸類疾病的功能。[1、2]適用于I型呼吸衰竭癥狀，并能減少呼吸機(jī)回路的滋生細(xì)菌，降低相關(guān)性肺炎疾病的發(fā)生率。目前，在歐美等國家應(yīng)用呼吸濕化治療儀已經(jīng)向普遍，但國內(nèi)的呼吸機(jī)技術(shù)大多數(shù)仍處于借鑒和模仿國外呼吸機(jī)技術(shù)的階段內(nèi)，不僅在功能還有質(zhì)量上，尤其是可靠性等方面還都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于西方一些發(fā)達(dá)國家。在將來，智能呼吸機(jī)會更加頻繁地應(yīng)用到醫(yī)院及家庭護(hù)理當(dāng)中。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

在本次設(shè)計(jì)的微控制器選擇了飛思卡爾MK22FN512VLL12芯片，四個(gè)溫度傳感器將外界的溫度信息轉(zhuǎn)換為電阻的阻值變化傳入電路，根據(jù)不同溫度傳感器的不同特有屬性，在軟件中進(jìn)行編程，再將阻值轉(zhuǎn)換為溫度值，通過系統(tǒng)的輸出設(shè)備LCD液晶屏顯示出來。根據(jù)人機(jī)交互中唯一的輸入設(shè)備按鍵可以修改測量溫度的上下限值，當(dāng)所測的溫度超過預(yù)設(shè)定的范圍時(shí)，利用蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，通知使用者此時(shí)系統(tǒng)處于非正常狀態(tài)，進(jìn)而完成了人機(jī)交互。

2 總體設(shè)計(jì)

在本次設(shè)計(jì)中為了程序能夠順暢的運(yùn)行，占據(jù)內(nèi)存不宜過大，所選結(jié)構(gòu)盡量簡單實(shí)用、易于實(shí)現(xiàn)，并通過MQX嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對各子任務(wù)進(jìn)行調(diào)度。[3]系統(tǒng)采用的結(jié)構(gòu)大多數(shù)都是由系統(tǒng)的功能決定的。

在本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能有溫度的測量、顯示及報(bào)警等。因此在軟件部分主要設(shè)計(jì)了顯示程序、報(bào)警程序、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理程序、按鍵程序等子程序。每一個(gè)子任務(wù)都是一個(gè)循環(huán)函數(shù)，當(dāng)正在執(zhí)行的任務(wù)發(fā)出調(diào)度請求時(shí)，調(diào)度器將會掛起當(dāng)前的任務(wù)去執(zhí)行已經(jīng)準(zhǔn)備就緒的最高優(yōu)先級的任務(wù)，無任務(wù)就緒時(shí)將執(zhí)行空閑任務(wù)。對系統(tǒng)中的各個(gè)任務(wù)設(shè)置合適的優(yōu)先級來保證實(shí)時(shí)性，將高優(yōu)先級分配給要求高的任務(wù)。

3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊

溫度傳感器的的關(guān)系普遍沒有標(biāo)準(zhǔn)的線性化，而Pt 1K的線性化好，只需要用MATLAB擬合一階曲線即可，擬合方程式為式（1）：

T=0.258*R1-258.1（1）

其中，T是溫度值，單位為℃;R1是鉑電阻的阻值，單位為Ω。

熱敏電阻溫度和阻值之間的關(guān)系更為復(fù)雜，而要想使溫度傳感器的輸出值準(zhǔn)確，在程序中就要提供誤差較低的擬合曲線。如果人為的計(jì)算擬合曲線方程式，工程浩大，不易完成。在本節(jié)中著重介紹對數(shù)公式法。[4]

熱敏電阻的R?T基本特性可用指數(shù)形式表示出來，如式（2）：

R4=R0×expB（1T-1T0）（2）

其中，T和R4為變量，B、T0和R0為定值。R4是溫度為T時(shí)的熱敏電阻的阻值，R0是溫度為T0時(shí)的熱敏電阻的阻值，B是熱敏電阻的敏感系數(shù)。不同的熱敏電阻，B值不同。

本文推導(dǎo)出的R?T三階對數(shù)公式，即式（3）：

T=10.0055?0.0008LnR+40.0000*（LnR4）3-273.15（3）

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

Pt 1k鉑電阻本身就具有良好的線性化，不用進(jìn)行擬合處理，而熱敏電阻的線性化較差，為了來提高系統(tǒng)的精度，采用了MATLAB進(jìn)行了線性化處理。

在MATLAB中，所選的擬合方程直線階數(shù)越高，誤差越小，準(zhǔn)確度越高，但是將高階的方程式帶入程序中的話，占用的內(nèi)存更大，運(yùn)行起來耗費(fèi)的時(shí)間更長，所以在擬合曲線的精度滿足系統(tǒng)規(guī)定的精度的前提下，選擇擬合階數(shù)最低的即可。如下圖所示是熱敏電阻阻值和溫度的關(guān)系擬合曲線。

擬合曲線圖

式（4）為熱敏電阻的二階擬合方程：

K=（0.0000001648）*R22?0.006112*R2+69.59（4）

其中K為測量的溫度，單位是攝氏度（℃）;R2為熱敏電阻的阻值，單位是歐姆（Ω）?？芍?，最大誤差是?0.4℃，技術(shù)指標(biāo)要求是不超過0.5℃，所以該系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了溫度的測量以及對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并能夠保證溫度的測量誤差絕對值不超過0.5℃。能夠根據(jù)使用者的要求通過按鍵設(shè)置報(bào)警的范圍，并且可根據(jù)使用者的意愿選擇是否將報(bào)警范圍保存至緩沖區(qū)，即重啟之后范圍仍然有效。對溫度傳感器的阻值與溫度之間的關(guān)系進(jìn)行線性化處理。為提高設(shè)計(jì)的精確度，通過MATLAB進(jìn)行了線性化處理，減小測量數(shù)據(jù)的誤差。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫長寧.經(jīng)鼻高流量吸氧對急性呼吸衰竭患者氧療和氣道濕化效果觀察[J].錦州醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，39（05）：45?48.

[2]陳配配，董麗秀，葉波，周耿標(biāo).高流量吸氧濕化儀與無創(chuàng)呼吸機(jī)對呼吸衰竭患者的療效比較[J].海南醫(yī)學(xué)，2017，28（02）：291?293.

[3]周廣濤，裘君.基于MQX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)[A].機(jī)電工程，2013，30（11）：1435?1439.

[4]梅小雨，許昌，魏艷紅.基于對數(shù)的NTC熱敏電阻測溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[A].創(chuàng)意與實(shí)踐，2011，26（5）：54?57.