高压氧舱智能新型自动测氧仪的研制

皇甫德俊，周晓东，邱永斌，张 玉，姚文坡，羊 元，谷 均，陈兴东

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)

高压氧舱智能新型自动测氧仪的研制

皇甫德俊，周晓东，邱永斌，张 玉，姚文坡，羊 元，谷 均，陈兴东

目的：克服以往测氧仪的不足，设计出一款用于高压氧舱氧体积分数监测的智能新型测氧仪。方法：在高压氧舱引出的气体采样重要位置点放置相应传感器进行数据采集，经单片机处理分析，判断出引入测氧仪氧电极的采集气样是否来自氧舱舱内。若监测到是异常来源气样，工作人员可通过声光报警和文字闪烁提示来调整采样阀开闭及开度大小。当氧体积分数超过23%时，则通过测氧仪RS232串口发出控制信号至氧舱主操控系统，迫使氧舱进行自动换气或减压出舱的控制操作，从而保证了整个氧舱的安全性。结果：智能新型测氧仪不仅具有正常测氧功能，而且可对所涉及到的气样采样部分进行有效的监测和跟踪，避免了误操作导致的安全事故。结论：通过试验验证，各项功能符合设计要求，可进一步保障高压氧舱运行安全，同时可为氧舱制造厂商提供一定的安全设计提示。

测氧仪；高压氧舱；智能控制；氧体积分数

0 引言

测氧仪作为氧舱系统的重要组成部分，在氧舱的安全监控及氧体积分数监测方面起着重要作用，已成为保障高压氧舱系统安全运行的一种重要安全附件。在测氧仪上能严密地观察到舱内氧体积分数的变化，氧体积分数的异常变化对高压氧治疗有着潜在的危险性[1]。据报道，我国从1965—2011年共发生38起医用氧舱事故[2]。这些氧舱事故的发生大部分都有氧体积分数超标的现象，加之有火源和可燃物，就造成了这一起起悲剧的发生。氧的体积分数越高，越易燃烧，燃烧越激烈。氧体积分数在30%以上时可加速燃烧，达到35%时可瞬间燃烧，达到42%时可引起爆燃。所以，就氧舱而言，如果舱内无明火或可燃物，只要严格控制氧体积分数在23%以内[3]，就可以预防和消除火灾。在高压氧舱的实际运行中，虽然有测氧仪的实时监测使氧体积分数控制在一个安全值范围内，但依然会发生火灾爆燃安全事故[4]。图1是高压氧舱测氧部分的设计示意图（无关部分未画出），从中我们会发现一定的问题。

图1 高压氧舱测氧部分设计示意图

如图1所示，在氧舱设计过程中，从氧舱内引出一根气体采集管，依次经过气样采样阀、气体流量计，最后送到测氧仪的氧电极中。测氧仪不断采集流经测氧仪氧电极气体中的氧含量，若有异常则立即声光报警，同时测氧仪会送出一个信号给氧舱控制主机，此时计算机主机若在全自动控制下，会自动启动换气功能，保证舱内氧体积分数小于23%，处于一个安全值内。从设计表面看无任何问题，其实在这样的设计中深藏着一个重大的安全隐患。因为操舱人员在实际操舱中有时会忘记开启气样采样阀，此时系统若没有任何报警提示，当氧舱内氧体积分数大于23%时，测氧仪依然会显示正常值，因为这时测氧仪采集的气体氧体积分数是滞留在氧电极中的氧体积分数，而非舱内实际氧体积分数，这是极其危险的，若舱内此时具备火源和可燃物，氧舱就可能发生爆炸[5]。针对设计中的不足，本文重新设计了一款智能型测氧仪，将有效解决此问题。

1 工作原理

在ATmega16[6]单片机的控制下，在氧舱和气样采样阀之间的采样管上接入压力变送器，对高压氧舱中的压力进行实时监测。同时，在气体流量计出气口依次串接智能型测氧仪中的氧电极和气体流量传感器。此举是当舱内有压力时，智能型测氧仪对采样气体依次流过氧电极和气体流量传感器的流量数据进行分析判断，以此来确定氧电极中的待测气体是否为舱内引出的实时流过的采样气体，以判断气样采样阀是否打开，为智能型测氧仪工作在正常采集测氧状态提供判定基础。在确定气样采样阀处于开启状态时，智能型测氧仪中的氧电极所测得的气样为来自舱内的实时气样。氧电极测得的气样数据送入ATmega16单片机，经温度曲线修正处理后输出氧体积分数值，因为氧电极对氧体积分数的测定受温度影响，所以在氧电极的气室中放置一个高精度的温度传感器DS18B20，用于气样的温度采集，以此对氧体积分数值进行修正补偿，使输出值更为准确。若压力传感器检测到舱内有压力，而气体流量传感器却检测不到采样气体经过，则立即触发声光报警，同时在显示屏上不停地闪烁提示报警文字信息。这样可从多方面提示工作人员打开采样阀，避免因操作疏忽引发安全问题。当单位时间内气体流量传感器未能检测到气样的流量，单片机则通过RS232串口给氧舱操舱主机控制系统发出异常数据信息，让操舱主机系统启动换气功能，使氧舱内的氧体积分数始终保持在一个安全值内，或根据当时条件判断终止操舱进程直接进行减压出舱操作。在报警电路、显示电路、打印电路、存储电路、异步串口传送电路等共同参与下协同完成全部的采集测氧相关工作。具体改进如图2所示。

图2 高压氧舱测氧部分改进设计图

此次设计的智能新型自动测氧仪在原有的测氧基础上增加了压力检测部分和流量检测部分，在稳定可靠的ATmega16单片机核心控制下，依托下位机相应的软件，围绕智能测氧仪是否处于正常舱内气样采集状态及显示实际舱内氧体积分数的一套完整系统而展开设计，具体电路原理图如图3所示。

图3 智能新型自动测氧仪电路原理图

2 硬件部分

2.1 单片机

此次的设计主要采用Atmel公司的ATmega16单片机。ATmega16是基于增强的AVR精简指令集计算机[7]（reduced instruction set computer，RISC）结构的低功耗8 bit微控制器。内核具有丰富的指令集，其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间使得数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，所有的寄存器都直接与算术逻辑单元（arithnretic and logic unit，ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问2个独立的寄存器。

2.2 氧电极

本次设计所采用的氧电极中的传感器均为固态电化学传感器[8-9]，氧电极测氧原理为：将含氧的参比气体或待测气体通过采集管引入氧电极的气室中，待测气体与固态电化学氧传感器发生反应并产生与采集气体中氧体积分数成正比的电信号输出。氧电极主要由传感电极（或工作电极）和反电极组成，并由一个薄电解层隔开。同时，在采集气室内为了弥补待测气体温度的变化对传感器内部透氧膜的透氧率产生影响，而致扩散电流输出漂移，我们在氧电极的气室内放置一个温度传感器用于温度跟踪监测。温度的变化会使电信号输出值产生一定的偏移，一般当温度高于20℃时，传感器的电信号输出值随着温度升高而升高；当温度低于20℃时，传感器的输出值随着温度降低而降低。因此，在氧电极气室内采用精密的温度传感器进行温度采集，将有效地弥补实际产生的误差，经单片机处理补偿修正后，可得到精准稳定的结果，同时可拓宽测量范围。气室被打开状态下的氧电极如图4所示，具体实施电路如图5所示。

图4 氧电极

图5 实施电路图

氧电极传感器把0%～30%以内的氧体积分数转换成4～20 mA的标准信号输出。经LM324放大器放大后送入单片机PA4脚，经ATmega16单片机模拟数字转换器（analog digital converter，ADC）转换后，可以将连续的模拟量通过10 bit的逐次逼近型ADC转换成离散的数字量，方便单片机的数据处理。由温度传感器DS18B20[10]采集的数据经单片机温度补偿综合分析，最后得出精准的氧体积分数值。氧电极产生的电流（I）与空气中氧气的体积分数成线性关系

式中，K为电极常数，由氧的扩散系数、扩散层厚度及阴极面积决定；A为氧在隔膜中的渗透率，与膜材料及厚度等有关；C（O2）为空气中氧气的体积分数。由式（1）可知，氧探头最后输出电流信号，且电流量和氧气的体积分数成线性关系。

2.3 气体流量传感器

本次设计采用FSG系列小流量气体质量流量传感器，该传感器灵敏度高，具有极小的始动流量，传感芯片采用热质量流量计量，无需温度及压力补偿，保障了传感器的高精度计量。传感器零点稳定度较传统的热式质量流量计有极大的不同，结合微控制器智能技术，使该流量传感器重复性好，实现了计量准确可靠。高压氧舱的采样气体属于清洁气体且流量小，选用FSG系列小流量气体质量流量传感器是非常适合的。独特的封装技术使之可同氧电极的排气管直接对接，易安装。传感器管脚以模拟量4～20 mA输出，通过外接LM324放大电路，最后转换成1～5 V的模拟信号输出，直接同ATmega16单片机的PA5脚进行对接。气体流量传感器的引脚图如图6所示。

图6 气体流量传感器的引脚图

2.4 压力变送器

压力变送器的核心部件是一个应变桥。它是在一块硅基片上由激光光刻出4个阻值高度接近的电阻，使之组成一个平衡电桥。当硅基片受到压力作用产生微小形变时，4个桥臂的电阻受到不同压力，阻值变化也不同，使电桥失去平衡状态，桥路有电压输出。传感器输出的这一电压信号与供电电压、桥臂电阻的阻值相关。由于桥路电路由恒流源供电，这时输出信号仅与桥臂阻值的变化有关。阻值的变化与所受压力成正比，信号电压大小就与压力信号强弱成正比。此信号经过前置放大电路、温度补偿等电路，最后转换为4～20 mA的输出电流信号，从而实现了对压力的测量。此次设计主要采用美国MEAS生产的M5156-000005-006BG高精度压力变送器，主要特点是结构小巧，螺纹接口1/4/NPT，量程0.6 MPa，输出信号4～20 mA，在安装和信号采集上非常便捷。同样通过LM324放大电路转换成1～5 V的模拟信号输出，最后同ATmega16单片机的PA6脚进行对接，其外观和核心应变桥如图7所示。

图7 压力变送器外观及其核心应变桥

2.5 声光报警电路

电路中使用单片机的PB0口控制三极管8550的通断来使蜂鸣器发声和发光管闪烁（如图8所示）。三极管在这里的作用有2个：（1）开关作用，控制蜂鸣器和发光二极管（light emitting diode，LED）的电源电路的通断；（2）提供蜂鸣器发声所需的较高电流，单片机的I/O口驱动能力有限，借助三极管电流放大的作用来放大电流，促使蜂鸣器获得足够的驱动电流，并控制LED闪烁。

图8 声光报警电路图

如图8所示，在蜂鸣器两端并联了一个二极管，这个二极管称为续流二极管。蜂鸣器本质上是一个感性元件，其电流不能瞬变，因此必须有一个续流二极管提供续流。否则，在蜂鸣器两端会产生几十伏的尖峰电压，可能损坏驱动三极管，并干扰整个电路系统的其他部分。滤波电容C21和C22的作用是滤波，滤除蜂鸣器电流对其他部分的影响，也可改善电源的交流阻抗，稳压二极管D2是保护LED的。

2.6 串口电路

由于单片机应用系统的信号电压是TTL电平0～+5 V，而计算机串口RS232电平是-12～+12 V，因此要和计算机进行通信首先要解决电平转换的问题[11]。此次设计采用MAX232芯片作为单片机和计算机串口之间进行通信的转换部件，使用+5 V单电源供电。MAX232芯片也是美信公司专门为计算机的RS232标准串口设计的接口电路，内部结构基本分为3个部分：（1）电荷泵电路，功能是产生+12 V和-12 V 2个电源电平，提供RS232串口电平的需要；（2）数据转换通道，构成2个数据通道；（3）供电电路，如图9所示。

图9 串口连接电路图

2.7 液晶显示模块

HA12864K-ZK5模块是由成都宏安电子有限公司生产的一款汉字图形点阵液晶显示模块，它采用台湾矽创电子公司生产的7ST7920中文图形控制器，能够显示128像素×64像素的图形或者4行16点阵× 16点阵的中文字符，内置8 192个中文汉字。外围用少量阻、容元件即可，结构件等装配在印制电路板（printed circuit board，PCB）上。整个模块结构紧凑、轻巧、容易装配；由单+5 V电源供电，具有低功耗、长寿命、高可靠性的特点。其引脚定义如图10所示。既可以采用并行连接，也可以采用串行连接。本次设计采用并行方式连接，其连接方式如图10所示。

图10 液晶显示模块与单片机连接图

2.8 时钟电路

DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带随机存取存储器（random access memory，RAM）的实时时钟电路[12-13]，它可以对年、月、周、日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5～5.5 V。采用三线接口与中央处理器（central processing unit，CPU）进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。

DS1302的引脚排列，其中VCC为主电源，NC为后备电源，它在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由NC或VCC二者中的较大者供电：当VCC大于NC+0.2 V时，VCC给DS1302供电；当VCC小于NC时，DS1302由NC供电。X1和X2是振荡源，外接32.768 kHz晶振。采用reset（RST）复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有2种功能：（1）RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器。（2）RST提供终止单字节或多字节数据传送的方法。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中，RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在VCC＞2.0 V之前，RST必须保持低电平。只有在串行时钟（serial clock，SCLK）为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端（双向），SCLK为时钟输入端。DS1302的连接图如图11所示。

图11 DS1302的连接图

2.9 打印电路

打印机采用的是北京的思普瑞特SP-DⅢ微型热敏打印机（如图12所示），此打印机支持中文、西文和字符打印，采用热敏打印，接口方式可以采用串行接口或并行接口，本次与单片机采用同步串行方式连接，电源采用5 V/3 A直流电源供电。具有体积小、质量轻、功能完备、速度高、清晰度高、外观美丽、操作简单、连接方便等优点。

图12 SP-DⅢ微型热敏打印机

3 软件部分

软件开发采用ImageCraft公司集成开发环境的ICCAVR开发工具，ICCAVR综合了编辑器、工程管理器和C编译器的集成开发环境（integrated development environment，IDE）。同时可无缝对接AVR_ Studio软件调试器，可对ICCAVR编译输出的*cof映像文件进行软件调试，使此平台开发出的软件更高效、便捷。

系统启动后按照如图13所示的流程图执行操作，开始进行系统初始化。微控制单元（microcon troller unit，MCU）对接入氧舱的采集管路上的压力传感器和气体流速传感器进行压力及气体流速采样。通过实时压力采集主要检测氧舱是否处于加压或运行状态，若处于操舱运行中，MCU依据压力状态可判断出是否有氧舱的采样气样流过气体流量传感器，这是因为气体流量传感器串接在采集管路的末端，所以气体流过气体流量传感器必然流过氧电极；若在压力状态下没有检测到采样气体流经气体流量传感器，则采样阀肯定未能按照要求开启，此时会触发声光报警，并在显示屏上闪烁提示“请打开采样阀”字样。通过几方面的报警提示，工作人员便知晓在操舱时忘记了采样阀的开启。若单位时间内系统迟迟检测不到采样气体的流速，则会通过RS232异步串口向氧舱操舱主机发出停止舱内加压干预数据信号，迫使主机操舱加压停止。此举的软件设计是一种安全防范保护，若在压力状态下串接在气样采集管路中的气体流量传感器检测到气体流量，则证明采样阀工作在正常的开启状态，此时测得的氧体积分数是有效的氧体积分数值，通过显示屏实时地显示其值。如果测得的氧体积分数≥23%，则通过RS232异步串口给操舱主机送出氧舱换气控制信号。启动换气功能，同时显示屏上闪烁着超标的氧体积分数值，换气后的氧体积分数值不断下降，在氧电极的不断检测下，氧体积分数值将回落到正常值，此时声光报警状态消除，可以继续进行高压氧治疗。如果氧体积分数持续单位时间内依然回落不到正常值，且还有不断上升迹象，当压强值为0.2 MPa，且氧体积分数≥24%时，单片机则通过RS232异步串口向操舱主机系统发出一个终止治疗的控制信号，让操舱主机执行减压出舱的动作。

图13 系统执行流程图

4 测试结果

为了验证此系统设计是否达到预期设计效果，模拟现实操作中疏忽开启采样阀的情形，选择了2个压强点进行逐一测试。首先关闭采样阀，然后进行氧舱加压，当压力值由相对压强0.00 MPa开始逐渐缓缓上升到0.01 MPa时，测氧仪声光报警，同时显示屏闪烁显示“请打开采样阀”，这时加压停止，开启采样阀后，声光报警立即停止，且显示屏上显示的内容变成氧体积分数19.8%，加压暂停状态立即转变

（▶▶▶▶）（◀◀◀◀）成加压状态。当压强升至0.1 MPa时，为了再次测试系统对加压中因误操作导致的采样阀关闭行为的报警，而人为地关闭采样阀，此刻声光和显示屏闪烁提示信息同时报警，加压状态立刻中断。接下来为了验证氧体积分数超标报警，分别在压强为0.05、0.08、0.1 MPa时进行混合气体（混合气体氧体积分数为25%）输入，结果在每个压强点都出现了声光报警和显示屏闪烁“氧体积分数25%”的报警提示。每一次氧体积分数超标都出现了功能换气，换气之后都能使氧体积分数从超标后的25%一直回落到22%。氧体积分数回落到正常值后报警状态立即消失且换气停止。通过以上功能性测试，系统达到了预期设计要求。

5 结论

通过此系统的设计可以解决因测氧部分操作不当而引发的安全隐患问题，使原有的采集测氧部分设计不足得到了进一步的改善，发挥了智能检测控制系统应有的功能和特色，使氧舱能很好地防范氧体积分数异常的安全风险。

[1] 吕丽，谢守民.漏氧引起高压氧舱的氧浓度升高导致氧舱爆燃的探讨[J].医疗卫生装备，2006，27（7）：97-100.

[2] 黄怀，李宁，翁其彪，等.中国38起高压氧舱事故分析及安全管理探讨[J].重庆医学，2009，38（8）：894-896.

[3] GB/T 12130—2005 医用空气加压氧舱[S].

[4] 宋传斌.高压氧舱氧浓度的监测[J].医疗设备信息，2003，18（6）：1 628-1 633.

[5] 刘向峰，汤剑波.医用高压氧舱安全管理与安全事故的探讨[J].中国医疗器械信息，2012，18（3）：48-51.

[6] ATMEL.ATmega16（L）Complete[EB/OL].（2010-05-07）[2014-11-05].http：//www.atmel.com/zh/cn/devices/ATMEGA16.aspx?tab= documents.

[7] 马潮．AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2007：20-47．

[8] 赵萍，孙志成，张枫.氧传感器技术现状[J].计量与测试技术，2012，39（11）：48-50.

[9] Scholz F，Nitschke L，Henrion G，et al.Abrasive stripping voltammetry——the electrochemical spectroscopy for solid state：application for mineral analysis[J].Fresenius′ZeitschriftfüranalytischeChemie，1989，355（2）：189-194.

[10] 周月霞，孙传友.DS18B20硬件连接及软件编程[J].传感器世界，2001，7（12）：25-29.

[11] 郭宏亮.PC机与AT89C51单片机的串行通信接口设计[J].平原大学学报，2007，24（3）：117-119.

[12] 姚德法，张洪林.串行时钟芯片DS1302的原理与使用[J].信息技术与信息化，2006（1）：39-42.

[13] 李伟跃.基于时钟芯片DS1302的万年历的设计[J].科技创新导报，2012（9）：20-21.

（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)

专利：国家实用新型专利（ZL 201220152876.4）

皇甫德俊（1974—），男，副主任，工程师，主要从事医疗器械管理、设计与维修方面的研究工作，E-mail：hpxhl@163.com。

211131南京，南京军区南京总医院汤山分院（皇甫德俊，周晓东，邱永斌，张 玉，羊 元，谷 均，陈兴东）；210002南京，南京军区南京总医院设备科（姚文坡）

陈兴东，E-mail：152797295@qq.com