基于LabVIEW的應(yīng)用實(shí)例-模擬溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1、呼吸信號(hào)的測(cè)量系統(tǒng)摘要呼吸信號(hào)的檢測(cè)具有很高的臨床使用價(jià)值。人體呼吸的監(jiān)護(hù)檢測(cè)也是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)的一個(gè)重要組成部分，在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、軍事醫(yī)學(xué)以及醫(yī)學(xué)科學(xué)研究中，呼吸檢測(cè)都是一項(xiàng)重要的生理指標(biāo)。本文使用溫度傳感器設(shè)計(jì)了一個(gè)完整的測(cè)溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)所采用的溫度傳感器為熱敏電阻傳感器，放大器為CA3140，微型計(jì)算機(jī)采用的是8051單片機(jī)，系統(tǒng)將溫度變換，控制和顯示集成于一體，利用軟件實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)和報(bào)警功能，采用8051單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器件。本文設(shè)計(jì)的呼吸測(cè)量?jī)x的工作原理是：通過呼吸檢測(cè)系統(tǒng)中的溫度傳感器采集溫度信號(hào)：利用信號(hào)提取電路提取有效信號(hào)：采用信號(hào)處理部分將呼吸模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)。27第1章 緒論1

2、.1 課題背景和研究意義1.1.1 呼吸系統(tǒng)研究的選題依據(jù)及意義人體與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換的過程，稱為呼吸。通過呼吸，人體不斷地從外界環(huán)境攝取氧，以氧化體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，供應(yīng)能量和維持體溫；同時(shí)將氧化過程中產(chǎn)生的CO2排出體外，以免C過多擾亂人體機(jī)能，從而保證新陳代謝的正常進(jìn)行。所以呼吸是人體新陳代謝和功能活動(dòng)最重要的生理功能之一，一旦呼吸停止，生命也將終止。呼吸道也是人體健康的門戶，收到病毒的侵害后會(huì)產(chǎn)生多種疾病。通過對(duì)人體呼吸功能及狀況進(jìn)行檢測(cè)，就可發(fā)現(xiàn)并預(yù)防呼吸道、肺部以及心血管等部位的疾病，及時(shí)了解病情和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)癥治療來保持人體的健康和平衡1。例如，在手術(shù)過程中及手術(shù)后，呼吸率給麻醉科

3、醫(yī)生提供關(guān)于病人呼吸狀況的基本信息；在重癥病人鏡湖和新生嬰兒監(jiān)護(hù)中，呼吸率也起著非常重要的作用；在分析血流速度模式時(shí),也需檢測(cè)呼吸率1。因此，人體呼吸的監(jiān)護(hù)檢測(cè)也是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)的一個(gè)重要組成部分，在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、軍事醫(yī)學(xué)以及醫(yī)學(xué)科學(xué)研究中，呼吸檢測(cè)都是一項(xiàng)重要的生理指標(biāo)。呼吸系統(tǒng)疾病占兒科疾病的第1位，以嬰幼兒肺炎死亡率最高。肺功能對(duì)評(píng)估病情的嚴(yán)重程度、考核治療效果有較高的價(jià)值。傳統(tǒng)肺功能測(cè)試需要受試者做特殊的呼吸動(dòng)作，而潮氣呼吸只需平靜呼吸，故適用于不能配合的嬰兒。呼吸間隔可以給我們一些關(guān)于肺功能的信息，將是診斷哮喘的有用的方法。如果間隔時(shí)間短而且穩(wěn)定，說明肺是健康的。本研究通過研究呼吸間隔，探

4、討其特點(diǎn)和重要呼吸參數(shù)，為臨床工作提供醫(yī)學(xué)依據(jù)。檢測(cè)時(shí)新生兒在安靜睡眠狀態(tài)下，無任何不適，保證了測(cè)試的準(zhǔn)確性和良好的重復(fù)性。1.1.2 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)肺功能檢測(cè)是呼吸系統(tǒng)疾病診斷中的重要組成部分，目前廣泛應(yīng)用于呼吸內(nèi)科，胸腹部外科，兒科，婦產(chǎn)科，航空醫(yī)學(xué)，高原醫(yī)學(xué)，職業(yè)病評(píng)定等各個(gè)領(lǐng)域。自吳紹青于20世紀(jì)50年代將肺功能檢測(cè)技術(shù)在臨床應(yīng)用推廣以來，使我國(guó)的肺功能檢測(cè)技術(shù)有了很大的提高。中華醫(yī)學(xué)會(huì)呼吸病學(xué)會(huì)哮喘學(xué)組制定的支氣管哮喘防治指南和慢性阻塞性肺疾病診治規(guī)范中，肺功能檢測(cè)和結(jié)果判斷是診治疾病判斷療效必不可少的組成部分。國(guó)外先進(jìn)國(guó)家己將肺功能檢測(cè)視為和心電圖、胸部x線等檢查同等重要，列為常規(guī)

5、的體檢項(xiàng)目了。近10多年來，世界上許多國(guó)家和地區(qū)哮喘的發(fā)病率和病死率均呈上升趨勢(shì)。它的表現(xiàn)為咳嗽發(fā)熱，氣喘、氣急、鼻翼扇動(dòng)，呼吸困難，嚴(yán)重的有時(shí)會(huì)威脅到生命。過敏或者母親這邊有哮喘病家族史的情況下孩子更容易患哮喘。因?yàn)閶雰悍蔚墓δ懿蝗绯赡耆耍绻l(fā)生在嬰兒身上將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的危害，其危害程度遠(yuǎn)大于成年人。所以，對(duì)于嬰兒如果有一階段嚴(yán)重的哮喘將會(huì)很快導(dǎo)致肺炎。目前臨床上對(duì)于6歲以下患兒哮喘的評(píng)估只能依靠臨床癥狀，缺乏客觀依據(jù)。在世界上，特別是針對(duì)亞洲兒童年齡組，還沒有一套科學(xué)的、正確的、完整肺功能檢測(cè)參數(shù)的正常值。作為一個(gè)特殊年齡組，目前所選用成人預(yù)計(jì)值對(duì)兒童的偏差很大，不利于正確、合理評(píng)價(jià)肺

6、功能。一套適合中國(guó)兒童潮氣呼吸肺功能正常值指標(biāo)仍未建立2。1.1.3 研究主要成果和發(fā)展?fàn)顩r呼吸信號(hào)的檢測(cè)具有很高的臨床使用價(jià)值。目前國(guó)內(nèi)呼吸監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究包括對(duì)呼吸信號(hào)的采集，分析人體的呼吸率、呼吸流量等。由于人在呼氣和吸氣過程中，氣流經(jīng)上呼吸道、支氣管到肺，在這一過程中，氣壓的快速變化及器官固體組織的振動(dòng)將會(huì)產(chǎn)生聲能，這種聲能通過各種組織傳輸?shù)叫乇冢纬珊粑?，顯然呼吸音中包含許多與氣道結(jié)構(gòu)有關(guān)的信息，因此對(duì)呼吸音的定量、準(zhǔn)確的分拆，有助于了解呼吸音產(chǎn)生機(jī)理，并通過對(duì)異常呼吸音的分析，確定呼吸機(jī)能障礙的類型及位置，診斷疾病。隨著現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，國(guó)際上對(duì)呼吸音的研究逐漸深入，由此

7、形成了一些組織，比如ILSA國(guó)際肺音聯(lián)盟、美國(guó)呼吸音協(xié)會(huì)等，為了研究方便，還提供了一些標(biāo)準(zhǔn)的呼吸音庫，比如著名的R.A.L.E.肺部呼吸音庫。目前國(guó)際上關(guān)于呼吸音研究的進(jìn)展情況可見下表1-1：表1-1國(guó)外呼吸音研究狀況研究種類a)哮鳴音b)哨鳴音c)爆裂音d)鼾音e)其他如呼吸率、呼吸容量信號(hào)采集主要依靠麥克風(fēng)呼吸音存儲(chǔ)a)盒式錄音機(jī)b)DAT記錄器c)直接數(shù)字化信號(hào)預(yù)處理a)高通濾波b)低通濾波c)帶通濾波數(shù)字化處理方法 a)商業(yè)Pc卡如聲卡b)A/D轉(zhuǎn)換器c)專用轉(zhuǎn)換器計(jì)算機(jī)類型a)PC機(jī)系列b)Unix工作站信號(hào)處理方法a)頻域分析如FFT、小波b)時(shí)域波形分析c)建模d)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)e)數(shù)

8、字濾波技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)和醫(yī)學(xué)事業(yè)的發(fā)展，人們不僅僅滿足于對(duì)疾病的診治，更重要的是如何預(yù)防疾病、維護(hù)和恢復(fù)呼吸功能，延年益壽，提高生活質(zhì)量?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)外均設(shè)立環(huán)境保護(hù)法、每年5月31日為世界無煙日，以改善大小生活量。但這是個(gè)開始，呼吸康復(fù)醫(yī)療的基礎(chǔ)理論和技術(shù)尚待深入研究，21世紀(jì)將是一個(gè)呼吸康復(fù)醫(yī)學(xué)發(fā)展的時(shí)代。第2章 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)呼吸系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)方面的功能：1 呼吸信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和處理2 日期，時(shí)間的直觀顯示3 數(shù)據(jù)的記錄，包括報(bào)警數(shù)據(jù)4 計(jì)數(shù)超限報(bào)警5 解除警報(bào)2.1 呼吸系統(tǒng)檢測(cè)儀設(shè)計(jì)方案2.1.1 呼吸系統(tǒng)檢測(cè)儀工作原理該系統(tǒng)的基本組成如圖2-1所示。圖2-1呼吸系統(tǒng)檢測(cè)儀基本組

9、成如圖2-1所示，整個(gè)電路包括熱敏傳感器提取呼吸信號(hào)，濾波放大，峰谷值檢測(cè)(提取平均值)，比較放大，可連續(xù)觸發(fā)單穩(wěn)、計(jì)數(shù)器、譯碼、顯示這幾部分3。系統(tǒng)原理是：通過呼吸檢測(cè)系統(tǒng)中的溫度傳感器采集溫度信號(hào)溫度檢測(cè)的方法，即用熱敏電阻作傳感器，將熱敏傳感器用膠帶粘在鼻腔或口腔下方，由于簡(jiǎn)單易用，被檢測(cè)者沒有不舒服的感覺，不影響正常的睡眠而受到重視。利用信號(hào)提取電路提取有效信號(hào)然后采用信號(hào)處理部分將呼吸模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)同時(shí)通過軟件實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)和顯示功能，如果呼吸暫停大于等于10 秒，則警報(bào)器發(fā)出警報(bào)。2.2 模擬信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)2.2.1 傳感器的選擇溫度參數(shù)是不能直接測(cè)量的，一般只能根據(jù)物質(zhì)的某些特

10、性值與溫度之間的函數(shù)關(guān)系，通過對(duì)這些特性參數(shù)的測(cè)量間接的獲得。溫度傳感器的基本工作原理正是利用了這一性質(zhì)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已開發(fā)出種類繁多的溫度傳感器。常用的溫度傳感器由P-N 結(jié)溫度傳感器、熱敏電阻溫度傳感器、集成溫度傳感器、熱電阻及熱電偶溫度傳感器等。其中，P-N結(jié)溫度傳感器有較好的線性度，熱時(shí)間常數(shù)約0.2s2s，靈敏度高，其測(cè)溫范圍為-5050。這種溫度傳感器的缺點(diǎn)是，同一型號(hào)的二極管或三極管的特性不一致。集成溫度傳感器是采用硅半導(dǎo)體集成工藝而制成的，因此亦稱硅傳感器。集成溫度傳感器是在20世紀(jì)80年代問世的，它是將溫度傳感部分、放大電路、驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)處理電路等集成在一個(gè)芯片上

11、、可完成溫度測(cè)量及模擬信號(hào)輸出功能的專用工C。集成溫度傳感器與熱敏電阻等其它溫度傳感器相比具有靈敏度高、線性度好、響應(yīng)速度快和良好的線性度和一致性等特點(diǎn)。同時(shí)，具有功能單一（僅測(cè)量溫度）、測(cè)溫誤差小、價(jià)格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等特點(diǎn)，適合遠(yuǎn)距離測(cè)溫、控溫，不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)，外圍電路簡(jiǎn)單。集成溫度傳感器的工作溫度范圍是有限的，通常在5501500之間。它是目前在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為普遍的一種集成傳感器，典型產(chǎn)品D590,AD592,TMP17,LM13等。熱電阻的基本材料有鉑、銅和鎳，其阻值隨溫度的升高而增大。其中鉑電阻有很好的穩(wěn)定性和測(cè)量精度，測(cè)溫范圍寬，為-200600，但

12、價(jià)格高。銅電阻測(cè)溫范圍窄，為-50150。熱電偶測(cè)溫范圍寬，一般為-501600，最高的可達(dá)2800，并且有較好的測(cè)量精度。另外，熱電偶已標(biāo)準(zhǔn)化，系列化，易于選用，可以方便的用計(jì)算機(jī)做非線性補(bǔ)償，因此應(yīng)用很廣泛。熱敏電阻是電阻式傳感器。它利用阻值隨溫度變化的特性來測(cè)量溫度。熱敏式傳感器靈敏度高，響應(yīng)特性較好，但線性差，適用溫度較低的情況。一般把由金屬氧化物陶瓷半導(dǎo)體材料經(jīng)成型、燒結(jié)等工藝制成的測(cè)溫元件叫做熱敏電阻。熱敏電阻的非線性嚴(yán)重，穩(wěn)定性差，不可用J屯精確測(cè)量，主要用于電路溫度補(bǔ)償和保護(hù)。金屬的電阻值隨著溫度的升高而增大，但半導(dǎo)體卻相反，它的電阻值隨著溫度的升高而急劇減小，并呈現(xiàn)非線性。在

13、溫度變化的同時(shí)，熱敏電阻的阻值變化約為鉑熱電阻的10倍。通過測(cè)量熱敏電阻阻值的變化4，便可以得知被測(cè)介質(zhì)的溫度變化。熱敏中阻具有體積小、靈敏度高、反應(yīng)速度快、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。典型的熱敏電阻的缺點(diǎn)是線性度低、穩(wěn)定性。經(jīng)人的呼吸途徑有兩個(gè)，一個(gè)是鼻腔，另一個(gè)是口腔。在呼吸時(shí)，口、鼻腔處由于氣流流過而使壓力和溫度發(fā)生變化。因此，人體的呼吸狀態(tài)可以從檢測(cè)壓力和溫度變化得知。如采用壓力法，由于口、鼻腔處的壓力變化很微弱，而弱壓傳感器的靈敏度很高，容易受各種因素的影響，造成誤動(dòng)作，故壓力法不宜采用。溫度檢測(cè)的方法，既用熱敏電阻作傳感器，將熱敏傳感器用膠帶粘在鼻腔或口腔下方。由于簡(jiǎn)單易用，被檢測(cè)者沒有不舒服

14、的感覺，不影響正常的睡眠而受到重視。比較選用熱敏電阻傳感器。2.2.2 信號(hào)提取電路在呼吸時(shí)，口鼻腔底部由于氣流流過溫度發(fā)生變化，因此人體的呼吸狀態(tài)可以從檢測(cè)溫度變化獲得，按此原理可選用溫度傳感實(shí)現(xiàn)，按此原理設(shè)計(jì)呼吸信號(hào)提取電路如圖2-2所示。由電源接一個(gè)電阻和熱敏電阻Rt 串聯(lián)至地，熱敏電阻在常溫下(25)阻值為1K，熱敏電阻為負(fù)溫度型，靈敏度為0.1 % ，當(dāng)呼吸溫差達(dá)8時(shí)，其阻值變化為Rt=1000*0.8%=8。相應(yīng)電壓變化為V=Vcc*Rt/(Rl+Rt) (2-1)因熱敏電阻Rt在常溫下工作于線性區(qū)，這使Rt上電壓變化嚴(yán)格隨呼吸圖2-2提取信號(hào)電路圖狀態(tài)的變化而變化，不會(huì)出現(xiàn)非線性

15、失真。2.2.3 濾波放大電路由于提取的信號(hào)較弱，易受環(huán)境溫度及其他干擾的影響。因此必須進(jìn)行濾波放大，以隔除直流成分，消除環(huán)境溫度及其他干擾的影響，對(duì)有效信號(hào)進(jìn)行放大。單片機(jī)系統(tǒng)中，主要的抗干串模干擾措施是用低通輸入濾波器濾除交流干擾，而對(duì)直流串模干擾則采用補(bǔ)償措施。 常用的低通濾波器有RC濾波器，LC 濾波器，雙T 濾波器及有源濾波器等。它們的原理圖分別如圖2-3(a),(b),(c),(d)所示。RC濾波器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，也不需調(diào)整。但它的串模抑制比不高，一般需2-3級(jí)串聯(lián)使用才能達(dá)到規(guī)定的NMR指標(biāo)。而且時(shí)間常數(shù)RC較大，RC過大時(shí)將影響放大器的動(dòng)態(tài)特性。LC濾波器的串模抑制比較高，

16、但需要繞制電感，體積大，成本高。雙T濾波器對(duì)一固定頻率的干擾具有很高的抑制比，偏離該頻率后抑制比迅速減小。主要用來抑制工頻干擾，而對(duì)高頻干擾無能為力，其結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但調(diào)整比較麻煩。有源濾波器可以獲得較理想的頻率特性。因此本文的濾波放大電路采用圖2-3(a)RC濾波器圖2-3（b）LC濾波電路圖2-3(c)雙T濾波電器圖2-3（d）濾波放大電器（有源濾波器）有源濾波器。其中：Rt取下呼吸信號(hào)，經(jīng)標(biāo)R2、Cl構(gòu)成的高通隔除直流，同時(shí)由C2、R3構(gòu)成的低通，以實(shí)現(xiàn)濾波的目的。根據(jù)放大的需要可適當(dāng)選擇R2、R3。放大增益Kl=R3R2。R2、Cl的選取要保證周期小于10s的呼吸信號(hào)均能通過。運(yùn)算放大

17、器Al選用具有高輸入阻抗，且可由較低的電源供電的CA3140。提取有效信號(hào)：是通過峰谷值檢測(cè)，然后通過設(shè)計(jì)電路計(jì)算出峰谷值的平均值5。2.2.4 峰值檢測(cè)電路 峰值檢測(cè)器是用來檢測(cè)交流電壓峰值的電路，最簡(jiǎn)單的峰值檢測(cè)器依據(jù)半波整流原理構(gòu)成電路。如圖2-4所示，交流電源在正半周的一段時(shí)間內(nèi)，通過二極管對(duì)電容充電，使電容上的電壓逐漸趨近于峰值電壓。所以只要RC足夠大，就可以認(rèn)為其輸出的直流電壓數(shù)值上十分接近于交流電壓的峰值。圖2-4簡(jiǎn)單的峰值檢測(cè)電路這種簡(jiǎn)單電路的工作過程是，在交流電壓的每一周期中，可分為電容充電和放電兩個(gè)過程。在交流電壓的作用下，在正半周的峰值附近一段時(shí)間內(nèi)，通過二極管對(duì)電容C充

18、電，而在其它時(shí)段電容C上的電壓將對(duì)電阻R放電。當(dāng)然，當(dāng)外界交流電壓剛接上時(shí)，需要經(jīng)歷多個(gè)周期，多次充電，才能使輸出電壓接近峰值。但是，困難在于二極管是非線性元（鈞件，當(dāng)交流電壓較小時(shí)，檢測(cè)得的直流電壓往往偏離其峰值較多。這里的泄放電阻R，是指與C并聯(lián)的電阻、下一級(jí)的輸入電阻、二極管的反向漏電阻、以及電容及電路板的漏電等效電阻。不難想到，放電是不能完全避免的。同時(shí)，適當(dāng)?shù)姆烹娨彩潜匾?。特別是當(dāng)輸入電壓變小時(shí)，通過放電才能使輸出電壓再次對(duì)應(yīng)于輸入電壓的峰值。實(shí)際上，檢測(cè)器的輸出電壓大小與峰值電壓的差別與泄放電流有關(guān)。僅當(dāng)泄放電流可不計(jì)時(shí)，輸出電壓才可認(rèn)為是輸入電壓的峰值。用于檢測(cè)儀器中的峰值檢測(cè)

19、器要求有較高的精度。檢測(cè)儀器通常R值很大，且允許當(dāng)輸入交流電壓取去后可有較長(zhǎng)的時(shí)間檢波輸出才恢復(fù)到零?？梢杂幂^小的電容，從而使峰值電壓建立的時(shí)間較短6。經(jīng)改進(jìn)的峰值檢測(cè)電路如圖2-5所示。圖2-5峰值檢測(cè)電路經(jīng)濾波放大的呼吸信號(hào)接放大器同相端，當(dāng)呼吸信號(hào)大于電容C3上的電壓時(shí)，放大器輸出高電平，Dl導(dǎo)通，給C3充電。當(dāng)呼吸信號(hào)升至峰值并開始下降時(shí)，C3充電至峰值電壓，此時(shí)放大器輸出低電平，Dl截止，C3上保持峰值電壓。為保證該電路不影響前級(jí)，且使電容C3能將峰值電壓保存適當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，都需要放大器的輸入阻抗要高，于是，我們選擇了CA3130,它有高的輸入阻抗和低輸入偏置電流，且能用單電源供電。2

20、.2.5 谷值檢測(cè)電路谷值檢測(cè)電路如圖2-6所示。該電路結(jié)構(gòu)與峰值檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)相同，放大器也選用CA3130。當(dāng)輸入電壓小于電容C4上電位時(shí)，放大器輸出低電平，D2導(dǎo)通，C4通過D2放電。當(dāng)輸入電壓下降時(shí)，電容就保持放電。當(dāng)輸入電壓Vi降至谷值并開始上升時(shí)，C4就取得谷值電壓，此時(shí)放大器輸出高電平，D2截止，C4保存谷值電壓。圖2-6谷值檢測(cè)電路2.2.6 平均值提取電路從峰谷值輸出端接兩個(gè)嚴(yán)格匹配的R6，R7電阻。從R6，R7之間提取平均值電壓，如圖2-7所示。圖2-7平均值提取電路為延緩峰值電壓經(jīng)R6、R7向谷值電壓存儲(chǔ)電容C4充電，R6、R7應(yīng)選得較大。該電路中R6=R7=10K2.2.

21、7 比較放大電路呼吸電信號(hào)十分微弱，在檢測(cè)呼吸電信號(hào)的同時(shí)存在強(qiáng)大的干擾，如工頻50HZ和極化電壓等干擾。前者主要是以共模形式存在，幅值可達(dá)幾伏甚至幾十伏，所以呼吸電放大器必須具有很高的共模抑制比。后者是由于測(cè)量電極與呼吸信號(hào)之間構(gòu)成化學(xué)半電池而產(chǎn)生的直流電壓，最大可達(dá)300mV,因此，呼吸電放大器的前級(jí)增益不能過大，或者需要采用超低頻的交流放大器。由于信號(hào)源內(nèi)阻可達(dá)幾十K，乃至幾百K，所以，生物電放大器的輸入阻抗必須在幾K以上。綜上所述，設(shè)計(jì)高質(zhì)量的呼吸電放大器有許多技術(shù)困難。因此，設(shè)計(jì)高質(zhì)量的呼吸電放大器一直受到國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者重視7。近年來，微電子技術(shù)得到迅猛的發(fā)展，出現(xiàn)了許多高性能的集

22、成化儀器放大器，如TI公司、ADI公司和Linear公司等生產(chǎn)了很多不同檔次的集成化儀器放大器，為設(shè)計(jì)呼吸電放大器提供了充分的選擇。然而，由于呼吸信號(hào)檢測(cè)的特殊性，直接采用集成化儀器放大器來作為呼吸電放大器，仍然存在許多問題，效果并不能令人滿意，其中通用型放大器分為以下幾種類型：1 、高阻阻型 具有高輸入電阻的運(yùn)放稱為高阻型運(yùn)放。它們的輸入級(jí)多采用場(chǎng)效應(yīng)管，適用于測(cè)量放大電路、信號(hào)發(fā)生電路或取樣保持電路。2 、高速型單位增益帶寬和轉(zhuǎn)換速率的運(yùn)放為高速型運(yùn)放。它的種類很多，增益帶寬高達(dá)幾千兆，轉(zhuǎn)換速率大多在幾十伏微秒至幾百伏微秒，有的高達(dá)幾千伏微秒，有的高達(dá)幾千伏微秒。適用于模一數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)一模

23、轉(zhuǎn)換器、鎖相環(huán)電路。3 、高精度型高精度型運(yùn)放具有低失調(diào)、低溫漂、低噪聲、高增益等特點(diǎn)，它的失調(diào)電壓和失調(diào)電流比通用型運(yùn)放小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，而開環(huán)差模增益和共模抑制比均大于100db適用于對(duì)微弱信號(hào)的精密測(cè)量和運(yùn)算，常用于高精度的儀器設(shè)備中。4 、低功耗型低功耗型運(yùn)放具有靜態(tài)功耗低、工作電源電壓低的特點(diǎn)，它們的功耗只有幾毫瓦，甚至更小，電源電伏，而具它方面的性能不比通用型運(yùn)放差。適用于能源有嚴(yán)格限制的情況，例如空間技術(shù)、軍事科學(xué)及工業(yè)中的遙感遙測(cè)等領(lǐng)域8。綜上所述，由于設(shè)計(jì)的需要，本文使用了CA3130放大器，此放大器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，不需調(diào)試，但性能比較優(yōu)異。如圖2-8所示。圖2-8比較放

24、大電路2.2.8 單穩(wěn)觸發(fā)電路555定時(shí)器是一種多用途的數(shù)字一模擬混合集成電路，555定時(shí)器的電路圖如圖2-9所示。利用它能方便在構(gòu)成施密特觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。由于使用靈活，方便，所以555定時(shí)器在波形的產(chǎn)生與變換，測(cè)量與控制，家用電器，電子玩具等許多領(lǐng)域中都得到了應(yīng)用。本文所采用的觸發(fā)器就是利用555定時(shí)器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。如圖2-9所示。若以555定時(shí)器的VI2端作為角發(fā)信號(hào)輸入端，并將反相器輸出電壓VI3接至VI1端，同時(shí)在VI1對(duì)地接入電容C，就構(gòu)成了如圖2-10所示的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。如果沒有觸發(fā)信號(hào)時(shí)VI處于高電平，那么穩(wěn)態(tài)時(shí)這個(gè)電路一定處于Vc1=1，Vc2=1，Q=

25、0，V0=0的狀態(tài)。假定接通電源角發(fā)器停在Q=0的狀態(tài)，則導(dǎo)通9。如果接通電源后觸發(fā)器停在Q=1的狀態(tài)了，這時(shí)Td一定截止，Vcc使經(jīng)R向C經(jīng)Td迅速放電，使Vc=0，此后由于Vc1=Vc2=1，觸發(fā)器保持0狀態(tài)不變，輸出也相應(yīng)的穩(wěn)定在V0=0的狀態(tài)。因此通電后電路便自動(dòng)地停在V0=0的穩(wěn)態(tài)。圖2-9 555定時(shí)器的電路圖圖2-10 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器當(dāng)觸發(fā)脈沖的下降沿到達(dá)，使VI2跳變到1/3Vcc以下時(shí)，使Vc2=0，觸發(fā)器被置為1，V0跳變?yōu)楦唠娖?，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。與此同時(shí)Td截止，Vcc經(jīng)R開始向電容C充電。當(dāng)充至Vc=2/3Vcc時(shí)，Vc1變?yōu)?。如果此時(shí)輸入端的觸發(fā)脈沖已消失，V1回到了

26、高電平，則觸發(fā)器被置為0，于是輸出返回V0=0的狀態(tài)。同時(shí)Td又變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，電容C經(jīng)Td迅速放電，直至Vc=0，電路恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。輸出脈沖的寬度Tw等于暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間，而暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間取決于處接電阻R和電容C的大小。 通常R的取值在幾百歐姆到幾兆歐姆之間，電容的取值范圍為幾百皮法到幾百微法，Tw的范圍為幾微秒到幾分鐘。但必須注意，隨頭著Tw的寬度增加它的精度和穩(wěn)定度也將下降。2.3數(shù)字信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中主要使用的器件有Inter公司推出的8051單片機(jī)芯片，可以進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的8位ADC0809芯片，2KB×8位靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)芯片6116。2.3.1 CPU的選擇出于結(jié)構(gòu)緊湊

27、、攜帶方便等考慮, 適合本設(shè)計(jì)的微處理器選用Inter公司推出的單片機(jī)8051。該芯片包含8位高性能CPU，4KB的ROM，128K的RAM，兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，32根I/O線（P0P3四個(gè)8位I/O口），一個(gè)雙全工異步串行口，5個(gè)中斷源，它可以訪問多達(dá)64KB程序存儲(chǔ)器和64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。單片機(jī)的引腳除了電源，復(fù)位，時(shí)鐘接入，用戶I/O口之外，其余引腳都是為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展而設(shè)置的。這些引腳構(gòu)成了8051單片機(jī)片外三總線結(jié)構(gòu)10。2.3.2 A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇本設(shè)計(jì)采用中斷方式。ADC0809與8051的中斷方式接口電路如硬件電路圖2-11所示。ADC0809和8051的INT0管腳

28、連接，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束的時(shí)候，EOC向8051發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)，提出中斷申請(qǐng)，單片機(jī)響應(yīng)中斷求。如2-11圖所示，單片機(jī)電路主要包括8051和ADC0809兩塊芯片，74LS373用來產(chǎn)生和選擇地址。單片機(jī)的ALE端與ADC0809的CLOCK時(shí)鐘輸入連接。8051單片機(jī)在通常情況下，ALE端輸出信號(hào)為晶體震蕩頻率的1/6,即晶振頻率為6MHZ時(shí)，ALE分頻為1MHZ，可以滿足ADC0809的時(shí)鐘要求。由于ADC0809具有輸出三態(tài)鎖存器，故其8位數(shù)據(jù)輸出引腳可直接與數(shù)據(jù)總線相連。將P2.6作為片選信號(hào)時(shí)，在啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，由單片機(jī)的寫信號(hào)和P2.6控制ADC的地址鎖存和轉(zhuǎn)換啟動(dòng)。由于ALE和ST

29、ART連在一起，因此ADC0809在鎖存通道地址的同時(shí)也啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，用單片機(jī)的讀信號(hào)和P2.6引腳經(jīng)一級(jí)或非門后，產(chǎn)生的正脈沖作為信號(hào)，用以打開三態(tài)輸出鎖存器。故ADC0809的IN0IN7這八個(gè)模擬通道寄存器，地址為BFFF8HBFFFH11。圖2-11ADC0809接口電路圖2.3.3 鍵盤顯示電路單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常用的顯示器件有LED（發(fā)光二極管顯示器）和LCD（液晶顯示器）。這兩種器件都具有成本低，配置靈活，與單片機(jī)接口方便的特點(diǎn)。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，近年來，也開始出現(xiàn)有配置簡(jiǎn)易形式的顯示的CRT接口，以方便圖形顯示。本文將采用單片機(jī)中普遍使用的LED 顯示器。L

30、ED 是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件，也可稱為數(shù)碼管。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中通常使用的是7段LED。這種顯示塊有共陰極與共陽極兩種，本文采用的是共陽極。共陽極LED 顯示塊的發(fā)光二極管陽極并接（在系統(tǒng)中，接驅(qū)動(dòng)電源）。當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。通常的7段中有8個(gè)發(fā)光二極管，故也稱做8 段顯示器。其中7個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成7筆字“8”，一個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成小數(shù)點(diǎn)“.”。7段發(fā)光二極管，再加上一個(gè)小數(shù)點(diǎn)位，共計(jì)8段，因此提供給LED 顯示器的字形據(jù)正好一個(gè)字節(jié)。其對(duì)應(yīng)關(guān)系如一下：D7D6D5D4D3D2D1D0dpgfedcbaLED顯示塊與間片機(jī)接口非常容易，只要將一個(gè)8位并行輸

31、出口與顯示塊的發(fā)光二極管引腳相連即可。8位并行輸出口輸出不同的字?jǐn)?shù)據(jù)可顯示不同的數(shù)字或字符。通常將控制發(fā)光二極管的8位字節(jié)數(shù)據(jù)稱為段選碼或稱字形代碼，公共極稱為位選線。共陽極與共陰極的段選碼互為補(bǔ)數(shù)。1、LED顯示方式LED顯示器有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種顯示方式所謂靜態(tài)顯示，就是當(dāng)顯示器顯示某一字符時(shí)，相應(yīng)段的發(fā)光二極管恒定在導(dǎo)通或截止，并且顯示器的各位可同時(shí)顯示。靜態(tài)顯示時(shí)，較小的驅(qū)動(dòng)電流就能得到較高的顯示亮度。動(dòng)態(tài)顯示就是一位一位在輪流點(diǎn)亮顯示器的各個(gè)位，對(duì)于顯示器的每一位而言，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。顯示器的亮度與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間的比例有關(guān)。本文選用的是動(dòng)態(tài)顯示，如圖2

32、-12所示。在多位I/O時(shí)，為了簡(jiǎn)化電路，降低成本，通常將所有位的段選線并聯(lián)在一起，由一個(gè)8位I/O口控制，形成段選多路復(fù)用。而各位的共陰點(diǎn)或共陽極點(diǎn)分別由相應(yīng)的I/O口控制，實(shí)現(xiàn)各位的分時(shí)選通。圖2-12 鍵盤顯示電路8位I/O動(dòng)態(tài)顯示電路只需要要個(gè)8位I/O口。其中一個(gè)控制段選碼，另一個(gè)控制位選。由于所有位的段選碼皆一個(gè)8位I/O口控制，因此，在每個(gè)瞬間，8位I/O可能顯示相同的字符。要想每位顯示不同的字符，必須采用掃描顯示方式，即在每一瞬間只使某一位顯示相應(yīng)字符。在此瞬間，段選碼由控制I/O口輸出相應(yīng)字符電平，位選FO中輸出位選碼以保證該位顯示相應(yīng)字符。如此輪流，使每位顯示該位應(yīng)顯示字符

33、。并延時(shí)一段時(shí)間，以造成視覺暫流的效果12。獨(dú)立式按鍵是指直接用口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路。每個(gè)獨(dú)立式按鍵單獨(dú)占有一根口線，每根口線上的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其他口線的工作狀態(tài)，獨(dú)立式按鍵如圖2-13所示。圖2-13解警及啟動(dòng)鍵獨(dú)立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但每個(gè)按鍵必須占用一根口線，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，口線浪費(fèi)較大。故在按鍵數(shù)量不多時(shí)，常采用這種電路。圖2-13為查詢方式的獨(dú)立按鍵電路。通常按鍵輸入都采用低電平有效，上拉電阻保證了按鍵斷開時(shí)，口線有確定的高電平13。本文的獨(dú)立式按鍵部分采用的I/O是P1.0，P1.1。其中S1是啟動(dòng)鍵，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)功能，即當(dāng)按下S1鍵時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)開始工作。S2是

34、解警鍵，當(dāng)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警時(shí)按下此鍵即解除報(bào)。2.3.4 時(shí)鐘顯示電路在測(cè)量控制系統(tǒng)中，特別是長(zhǎng)時(shí)間無人值守的測(cè)控系統(tǒng)中，經(jīng)常需要記錄時(shí)間。而目前使用的時(shí)鐘種類較多，如數(shù)字式、觸點(diǎn)式等，在應(yīng)用時(shí)有一定的局限性，有的功耗較大，停電后走時(shí)被復(fù)位，定時(shí)時(shí)間也需重新設(shè)定，有的定時(shí)精度差。本文介紹MCS51單片機(jī)、146818組成的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。 摩托羅拉公司的實(shí)時(shí)鐘加存貯器芯片MC146818具有年月日時(shí)分秒星期在內(nèi)的一百年日歷以及低功耗等許多優(yōu)秀的性能。除時(shí)鐘外，它還具有50個(gè)單元的SRAM以及中斷和報(bào)警功能。因此，它被廣泛地應(yīng)用于各種微型計(jì)算機(jī)中。在使用中，由于MC146818及其附屬的電路功耗很低，可

35、采用交流和電池共同供電的方法。因此，即使交流電源暫時(shí)停電，也不會(huì)影響到實(shí)時(shí)鐘的工作，而且一塊電池可用很長(zhǎng)時(shí)間14。實(shí)時(shí)時(shí)鐘的結(jié)構(gòu)圖如圖2-14所示。MC146818是一個(gè)可直接與單片機(jī)總線連接的CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘日歷芯片?？商峁┠?、月、日、星期、時(shí)、分、秒等信息，并可為秒、分、時(shí)報(bào)警?？蛇x擇24h制及夏時(shí)制運(yùn)行。MC146818與8051的接口：MC146818的地址引線與數(shù)據(jù)引線是時(shí)間復(fù)用的，這特別適合于它和8051的連接。在圖2-14中較詳細(xì)地畫出了有關(guān)MC146818部分，而系統(tǒng)的外部擴(kuò)展內(nèi)存及外部擴(kuò)展的接口都接在經(jīng)過驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)總線上。圖2-14所示的系統(tǒng)構(gòu)成之后，在正常供電的工情況下，M

36、C146818的各種功能均能正常工作。時(shí)鐘及日歷的修改、50個(gè)存貯單元的讀寫均能正確無誤地工作。在我們以8051單片微型機(jī)構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)中，可利用MC146818提供時(shí)鐘、日歷和保存一些在停電過程中不可丟失的數(shù)據(jù)。利用電源通斷瞬時(shí)產(chǎn)生高電平CE封鎖MCl46818總線，從而克服偶而因電源通斷丟失(改變)數(shù)據(jù)的故障。實(shí)際上只要遵循上述原則，就能使其工作可靠。至于采用何種電路達(dá)到這一目的，相信有許多辦法。另外，MC146818地址、數(shù)據(jù)線是復(fù)用的，用于與8051等具有地址、數(shù)據(jù)復(fù)用總線的微機(jī)，對(duì)于地址、數(shù)據(jù)不采用復(fù)用方式工作的微型機(jī)，它們與MC146818的接口可用多種方式來實(shí)現(xiàn)。例如，可將MC1

37、46818的地址用數(shù)據(jù)總線傳送，規(guī)定一個(gè)地址，向此地址寫數(shù)據(jù)實(shí)際上是寫MC146818的地址，而用另一個(gè)地址讀寫上面地址的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)起來也不難(此處從略)。但是，同樣必須注意到，一定要保證電源電壓通斷過程中其內(nèi)部日歷、時(shí)鐘及RAM 數(shù)據(jù)不受影響。其措施同樣可以利用CE信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。MC146818的AD0AD7,AS,DS端直接與8051單片機(jī)相連，在系統(tǒng)電源下正常時(shí)，二極管D1供電，并且系統(tǒng)電源通過電阻R對(duì)后備電池充電，當(dāng)系統(tǒng)電源掉電時(shí)，后備電池通過二極管D2對(duì)MC146818供電，以便維持其獨(dú)立工作。MC146818時(shí)鐘芯片上電復(fù)們后，8051可以向MC146818寫入工作方式，起始時(shí)間等命

38、令。MC146818開始正常計(jì)時(shí)。當(dāng)系統(tǒng)掉電后，系統(tǒng)電源掉到危險(xiǎn)點(diǎn)之前，比較器翻轉(zhuǎn)，經(jīng)過一個(gè)ALE 脈沖的延時(shí)，Q1 = 0將地址選脈沖的通路鎖死，再經(jīng)一個(gè)ALE 脈沖延時(shí)，這時(shí)，MC146818與8051系統(tǒng)分開，8051對(duì)MC146818內(nèi)部的RAM不能再進(jìn)行讀寫，保護(hù)了已寫入凡咖的數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)上電和掉電過程中，系統(tǒng)電源電壓變化不定，在這段時(shí)間處于失控狀態(tài)，為了防止CPU在這段時(shí)間內(nèi)對(duì)MC146818內(nèi)部R 姍誤寫，需要作特殊處理，在系統(tǒng)是電時(shí)，CPU進(jìn)入失控狀態(tài)之前就應(yīng)使CE=1。在系統(tǒng)上電時(shí)，系統(tǒng)電源升高到使CPU進(jìn)入正常工作狀態(tài)之后開通CE，才可以對(duì)MC146818內(nèi)部RAM進(jìn)行讀寫15。2.4本章小結(jié)本章利用溫度傳感器設(shè)計(jì)了一個(gè)完整的測(cè)溫系統(tǒng)，系統(tǒng)將溫度變換，顯示和控制集成于一體。系統(tǒng)采用熱敏電阻作溫度傳感器，提取呼吸信號(hào)，呼吸模擬信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，同時(shí)利用軟件實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)和報(bào)警功能。結(jié)論由于醫(yī)療技術(shù)及工程技術(shù)相結(jié)合發(fā)展，特別是傳感技術(shù)、通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，加上我國(guó)電話與計(jì)算機(jī)的日益普及，呼吸系統(tǒng)監(jiān)測(cè)已逐步由醫(yī)院過渡到普通人家，從病人擴(kuò)展到正常人的監(jiān)測(cè)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在地域上不斷延伸。本文設(shè)計(jì)的呼吸檢測(cè)儀的功能是：如果被檢