Uploaded by Claire Siyuan Li

基于呼吸频率检测的供气方式研究

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基于呼吸频率检测的供气方式研究
Study on gas supply method based on respiratory frequency detection
郭丽丽1,2,房灵申1,邹媛媛1,赵明扬1
GUO Li-li1,2, FANG Ling-shen1, ZOU Yuan-yuan1, ZHAO Ming-yang1
(1. 中国科学院 沈阳自动化研究所,沈阳 110016;2. 中国科学院大学,北京 100039)
摘
要:针对便携式呼吸防护系统,为使送风模式与呼吸频率相匹配,提出了呼吸频率先验值记录方法。
该方法主要包括两方面内容:呼吸信号的采集与记录、风机控制算法实现。宏晶科技生产的
STC12C系列增强型单片机STC12C5A60S2作为核心控制器,流量传感器检测人的呼吸信号并通
过控制器的分析实现送风机的启停控制。单片机软件部分采用C语言在keil4.0环境下编译调试,
上位机编程调试采用VC6.0环境。在详细介绍基本原理的基础上,给出了部分代码实现。
关键词:呼吸防护;供风系统;呼吸信号采集;单片机
中图分类号:TP277
文献标识码:B
文章编号:1009-0134(2013)07(下)-0012-04
Doi:10.3969/j.issn.1009-0134.2013.07(下).04
0 引言
现有呼吸防护产品或供氧系统多是连续式供
风,功耗高且连续直吹方式产生的气流易造成使
用者的不适感 [1,2]。而正常状况下,同一人心肺运
动周期趋于稳定,呼吸频率等参数在相同状态下
基本保持不变[3]。基于此笔者提出了基于人体呼吸
频率的先验值记录供风方式。系统采用流量传感
器检测呼吸信号,通过控制器对呼吸信号的分析
得到呼吸模式特征值,温度传感器作为温控开关
控制风机以现有呼吸模式为人体供风。
大器通过向桥式电路输入对金属丝的加热电流,
以保持发热元件温度的恒定值。热丝式流量传感
器原理如图1所示。
⇨⌕
5E
(F
5
5
$
第35卷
第7期
2013-07(下)
$
9R
图1 热丝式流量传感器原理图
图1中各元件分别为:Rb为热丝 Rf为空气温
度补偿电阻;R1、R2、R3为桥接电阻;Vo为信号
电压输出。
热丝被流体带走的热量
:
(1)
式中:a为热系数;s为热丝表面积;Tw为热丝
表面温度;Tf为流体温度。
强迫对流热交换情况下Kramer经验公式:
其中:怒塞尔系数
(2)
( 为传热系数,
为热线直径, 为热导率);雷诺系数
收稿日期:2013-04-01
基金项目:国家自然科学基金(61174164)
作者简介:郭丽丽(1986 -),女,河北沧州人,硕士,研究方向为嵌入式软件。
【12】
$
5
(
1 呼吸流速检测原理
本文选用热丝式流量传感器检测人的呼吸信
号。该传感器采用的是恒定温差的电路工作原
理,结构上主要包括发热元件、空气温度补偿电
阻、运算放大器等 [4,5]。通过气体流过热丝时的温
度变化量转换为流量进行检测,热量控制系统增
加电流保持热丝恒定温度,气体流速与电流产生
量成比例,流量和电流是非线性关系;线性化的
实现通过微处理器及软件进行,以便产生可重复
性流速的分布。热丝是电桥的一段,流量变化时
热丝的温度、阻抗和电流变化导致桥路不平衡,
根据输出电压变化可换算出流量。
作为发热元件的热金属丝安置在传感器的空
气流通道之中,在电路设计时就使其工作温度比
进气温度高。电桥中,只有当发热元件的温度高
于空气温度时,桥式电路才能达到平衡[6]。运算放
5I
( , , 分别为流体的密度、速度和动力粘性系
(其中
数);普朗特数
容),适用范围:
。
热丝的电阻温度特性:
为气体的定压热
;
;
式中 和 分别为当金属丝温度为
的电阻值, 为温度系数。
由公式(1)、(2)、(3)可得:
(3)
和 时
(4)
表1
AWM720P1流量传感器输出电压与流量对照表
流量(SLPM)
电压值(VDC)
0
1.00
25
2.99
50
3.82
75
4.30
100
4.58
150
4.86
200
5.00
参照模拟电压与流量对照表,将转换后的数字
量换算成相应的流量值,曲线拟合为折线段如下:
⎧ 0.2475 x − 12.6238
⎪ 0.5814 x − 63.3721
⎪
⎪⎪ 1.0417 x − 153.1250
f (x ) = ⎨
⎪ 1.6667 x − 290
⎪ 3.5714 x − 735.7143
⎪
⎩⎪7.1429 x − 1621.4286
51 ≤ x < 152
152 ≤ x < 195
195 ≤ x < 219
219 ≤ x < 234
234 ≤ x < 248
248 ≤ x ≤ 255
(5)
令代码完全兼容传统8051,速度快8-12倍。工作电压
为5 V,有6个16位定时器,兼容普通8051的定时器或
4个外部中断,具有看门狗和EEPROM功能,并且内
部集成MAX810专用复位电路。
STC12C5A60S2A/D转换在P1口,上电复位后
P1口为弱上拉型A/D,流量传感器输出接P1.0引
脚。该芯片ADC是逐次比较型ADC,由一个比较
器和D/A转换器构成,通过逐次比较逻辑,从最高
位开始,顺序地对每一输入电压与内置D/A转换器
输出进行比较,经过多次比较,使转换所得的数
字量逐次逼近输入模拟量对应值。逐次比较型A/
D转换器具有速度高,功耗低等优点。实验中,控
制A/D转换速度约为250KHz。
流量传感器选用霍尼韦尔AWM720P1大流量
传感器,人呼吸时最大流量为80 SLPM(标准升/
分钟),该传感器最大可检测流200SLPM,可以
满足试验要求。DS18B20为一线式数字温度传感
器,内部由64位ROM、温度传感器、温度报警触
发器TH和TL与配置寄存器组成 [7]。温度测量范围
为-55℃~+125℃,可编程为9位~12位A/D转换
精度,测温分辨率0.0625℃,被测温度用符号扩展
的16位数字量方式串行输出。选用微型轴流引风
机,其转速由控制器输出信号并经过驱动模块控
制。根据人体舒适度,还可对对引风机转速进行
不同的设置。
实验过程中,首先由流量传感器检测人的呼
吸,通过控制算法提取出人的呼吸模式特征值并
2 系统设计及实验
记录保存。温度传感器放于口鼻附近用于感知
2.1 硬件设计
呼气吸气温度变化,当传感器检测到的温度达到
系统硬件结构如图2所示,单片机
STC12C5A60S2作为核心控制器接收温度传感器
DS18B20及流量传感器AWM720上传数据,分析
综合后控制风机启停、同时通过串口通信将传感
器数据上传至上位机进行实时显示[7]。
一定阈值时,控制器输出信号控制风机按既有呼
'6%
偅ࡼ῵ഫ
体的不同而不同。将流量传感器置于口鼻前端,
当人呼气时,传感器检测当前通过其管路的流量
大小从而输出对应的电压值。该传感器为单向检
测,当通过其管道的风向相反时,输出值对应为
Ϟԡᴎ
0。试验中,传感器检测人呼出气体流量值,吸气
67&&$6
$:0
吸模式启停。阈值的选取随外界环境及人呼出气
Ⳉ⌕亢ᴎ
时检测到的流量值为0。
2.2 软件设计
图2 系统硬件设计图
STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的STC12
系列单片机。该单片机是单时钟/机器周期(1T),具有
高速、低功耗、超强抗干扰和无法解密诸多优点。指
2.2.1 呼吸信号特征记录
图3中红色曲线为流量传感器检测到的呼吸信
号波形图,以下说明特征值记录方法的实现过程
及部分代码实现。
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【13】
T2 = iStartTime[2] - iStartTime[1]; //第二个呼
吸周期
T3 = iStartTime[3] - iStartTime[2]; //第三个呼
吸周期
T4 = iStartTime[4] - iStartTime[3]; //第四个呼
吸周期
对T1、T2、T3、T4取平均为:
图3
首先由流量传感器检测5次人的呼吸,控制
器通过分析这5次呼吸数据得到平均呼气时间与
平均吸气时间,作为模板特征值用于控制风机启
停。程序中当流量为0时控制器将其识别为吸气过
程,当流量不为零时为呼气过程。采用定时器/计
数器T0记录呼气与吸气时间。全局整型变量数组
iStartTime[5]与iStopTime[5]分别用来保存连续吸气时
刻点与吸气结束(呼气)时刻点,iStartTime数组
中的元素对应每个吸气开始时间,iStopTime数组
中的元素对应吸气结束(呼气)时间。
设置单片机内部定时器T0每50ms溢出一次,
全局无符号整型变量g_iCounter记录定时器T0自单
片机上电后溢出的次数。iStartTime与iStopTime数
组元素保存相应的g_iCounter值作为记录时刻,因
此记录时刻的时间分辨率为50ms,相对于人的呼吸
周期(3s左右),该分辨率可以满足精度要求。
时间记录部分代码实现如下:
unsigned int g_iCounter;
//全局变量,溢出
计数器
void TimeLog()
//在主函数的while循
环中调用
{
if( 1 == TF0)
//50ms到,定时器T0溢出
{
TF0 = 0;
//软件清零溢出标志位
g_iCounter ++;
//计数器加1
TH0 = 4C;
//重新加载初始值
TL0 = 00;
}
}
对采集到的数组进行处理,得到呼气时间t1与
吸气时间t2。
T1 = iStartTime[1] - iStartTime[0];//第一个呼吸
周期
【14】
第35卷
(2)
呼吸信号特征值记录
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为消除噪声带来的影响,对其进行二次平均
求解。逐一比较T1/T2/T3/T4与
差值,将差
。
值最大者去除,并求取剩余三者的平均值
吸气时间:
(3)
呼气时间:
(4)
2.2.2 风机启停控制算法实现
依据呼气时间t1与吸气时间t2,使用unsigned
int型局部变量iCount控制风机启动时间。当iCount
大于t2时停止风机;当iCount大于t1+t2时,iCount
清零,同时启动风机。
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12
ᔧࠡᯊ䯈!਌⇨ᯊ䯈˛
<(6
亢ᴎ‫ذ‬ℶ
图4
函数流程图
12
2.2.3 代码临界段
代码的临界段也称为临界区,指处理时不可
分割的代码。一旦这部分代码开始执行,则不允
许任何中断打入。为确保临界段代码的执行,在
进入临界段之前需关闭所有中断,临界段代码执
行完以后立即开启中断[8]。温度传感器DS18B20是
单总线通信,其时间片序列要求严格,因此其代
码部分为临界段。
2.3 试验过程及实验结果
上位机与单片机之间使用串口通信,波特率
设定为9600bps[9,10]。上位机采用MFC编程实时接
收并显示单片机上传的呼吸流量数据、温度传感
器温度值。
系统上电后,将流量传感器靠近使用者口鼻
测试呼吸周期,此时上位机将实时显示使用者的
呼吸波形,如图5所示。5次完整呼吸后,单片机
接收温度传感器检测到的温度值数据。如图6所
示,呼吸波形的波谷代表环境温度,当温度传感
器检测到的温度高于环境温度一定阈值T时,启动
单片机对风机的控制,此时风机将以已有的呼吸
模式进行送风;当温度传感器检测到的温度回到
环境温度后停止单片机对风机的控制。
图5 呼吸流量图
3 结束语
与传统的连续式供风方式相比,该方法依据
人的呼吸频率送风,起到节能功效的同时降低了
长期佩戴带来的不适感。相比实时控制系统,该
方法则简单易行,且避免了实时控制系统内部资
图6 温度变化显示图
源消耗等问题。
先验值记录方式有效结合了流量传感器及温
度传感器各自的优点,以呼吸频率相匹配的方式
控制风机为使用者供风,可广泛应用与便携式装
置,其特点是方便快捷,且易于操作易于实现。
实验证明,该方法可稳定且精确地控制风机按照
与人体呼吸频率相匹配的方式启停。
参考文献:
[1] 邱曼,王生,刘铁民.呼吸防护用品的人机工效学问题分析
[J].中国安全科学学报,2007,17(2):139-143.
[2] 刘志强,刘宝龙.自吸过滤式呼吸器对人体主观舒适度的
影响[J].中国安全生产科学技术,2009,5(1):33-36.
[3] 席涛,杨国胜,汤池.呼吸信号检测技术的研究进展[J].医
疗卫生装备,2004,25(12):25-28.
[4] Lammerink T S J,Tas N R,EIwenspoek M, et al. FIuitman
MicroIiguid fIow sensor[J].Sensors and Actuators A, 1993,
37-38:45-50.
[5] 沈永滨,李庆军,修爱军.恒温热线式气体流量传感器的研
究[J].哈尔滨理工大学学报,2000,5(4):98-100.
[6] 李巍.奔驰轿车空气流量传感器的故障检修[J].汽车电
器,2006(6):35-37.
[7] 赵望达.DS1820数字温度传感器在机械设备温度监控中
的应用[J].制造业自动化,2001,23(5)52-54.
[8] 宋凤娟,付侃,薛雅丽.STC12C5A60S2单片机高速A/D转
换方法[J].煤矿机械,2010 31(6):219-221.
[9] 戴建强,蔡慧林,席晨飞.多线程串口通信技术在DNC系
统中的应用[J].制造业自动化,2008,30(2):17-20.
[10]
国兵,郭常山.单片机通信中波特率自动跟踪的一种方法
[J].计算机应用与软件,2008,25(1):182-184.
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