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
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5
5
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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ࡼഫ
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
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$:0
吸模式启停。阈值的选取随外界环境及人呼出气
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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】
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(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
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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。
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