智能辅助呼吸机的报警系统的设计与研究

赵希超+杨光

摘 要：设计了一种基于STC12C5052AD单片机三CPU的具有报警系统的智能化辅助呼吸机。将干燥的空气和氧气的混合气体加湿加温到适宜的湿度和设定温度，并以设定流量提供给患者使用。介绍了该机器的组成和工作原理并且着重的阐述其报警系统的设计。

关键词：辅助呼吸机；单片机；温度传感器；流量传感器；报警系统

1.引言

人们身体健康时，上呼吸道对吸入气体有加温加湿的功能，可以维持气道黏膜与纤毛系统正常的生理功能和防御机能。但是，作为这种工能减弱或者丧失的患者，就需要辅助加温、加湿和细菌过滤的功能，以确保正常的生理需要[1]。为了保证其长时间的稳定工作，除了可靠的设计和正确的使用，它准确灵敏稳定的报警系统也是非常关键的环节。

2.辅助呼吸机的电路的组成及原理

该辅助呼吸机的电路组成如图1，主要有电源电路，湿化罐的加热电路，信号的处理和运算电路，呼吸管路的加热及测量电路，单片机的最小系统电路。控制系统以，STC12C5052AD单片机为核心，单片机接受传感器的温度，含氧量，流量和报警信号等信息，并根据设定的温度和流量值按照预设的控制算法输出控制。

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该机器有消毒和湿化两种模式，工作在湿化模式时，插入湿化管路，氧气和空气的混合气体通过湿化罐加热和加湿后通过湿化管路进一步加热和保温最后送入病人鼻腔。在此模式下可以设置混合气体的温度和流量。工作在消毒模式时，插入消毒管并且去掉湿化罐，消毒管中的电阻丝将管内空气加热到90℃并以10L/MIN的速度流动，利用加热的流动空气消毒该机器。

3.呼吸湿化仪的报警及原理

1.没有插入正确管路或没有插入管路的报警

辅助呼吸机有湿化和消毒两种模式，所以配备了湿化管路和消毒管路。管路都是利用电阻丝将管内混合气体加热，但是湿化和消毒两种模式要求管内气体温度不同，所以两种管路的电阻丝阻值不同，所以当不插管路，插入消毒管或是插入湿化管时经过AD转换电路后得到的AD值的范围不同，当CPU识别到AD值为最大值时，发出“未插管”的报警信息，当系统被设定为相应模式时，CPU得到的AD值没在相应的范围，此时，发出“插错管路”的报警信息。这样便可以避免在湿化模式下误插入消毒管路使管內空气温度骤然增加而烫伤病人呼吸道的伤害。

2.机器漏气或是堵塞的报警

因为该机器是辅助病人呼吸用的，若仪器漏气或是堵塞就会丧失辅助呼吸的作用，严重时甚至威胁到病人的生命安全[2]。该机器气体的流量是CPU控制风机利用流量传感器组成一个闭环系统，通过脉宽调速达到设定的流量。[3]如果仪器不漏气或是不堵塞，那么其内部的风阻不变，也就是说流量和占空比对应成比例，若仪器漏气时其风阻变小，那么流量瞬间变大，相应的占空比也会也会变小，所以它们的比值会比正常时变大。同理机器堵塞时流量与占空比的比值会比正常时变小，CPU记录下流量和风机占空比的比值，若比值在正常范围内CPU不发报警信号，若比值比正常范围偏小并且持续时间大于30秒，CPU将发出“堵塞”报警信息，若比值比正常范围偏大并且持续时间大于30秒，则发“漏气”报警信息。

3.温度传感器损坏报警

为了保证仪器的稳定和病人的安全，在测量管内混合气体温度时采用热敏电阻和DS18B20两种温度传感器相互印证的测量方式。[4]CPU收到热敏电阻和DS18B20测量的温度值时，比较两个值的差，若差值大于5℃时仪器停止工作，并发出“温度传感器损坏”的报警信息。

4.湿化罐干烧报警

因为该机器需要在长期稳定的工作，如果湿化罐内的水量低于要求的最小值或是干烧，就会使管内的气体的温度急剧上升，导致烫伤病人的呼吸道，因此湿化罐的干烧报警就显得尤为重要。在加热盘的底部装有一个热敏电阻，当湿化罐内水被烧干时，加热盘温度会迅速增加，热敏电阻阻值减小引起分压变化，当超过某一阀值温度时，热敏电阻的分压值通过比较器及后续电路关断加热电源，此时CPU发出“湿化罐干烧”的报警信息。

5.工作环境温度不适宜报警

因为该机器需要在一个稳定并且适宜的工作环境温度下才能保证其稳定的工作性能和正确的输出参数，所以该机器需要检测工作环境温度，经过多次的实验和理论推导该仪器在18至28摄氏度内工作最适宜。如果CPU的温度传感器检测到工作环境温度低于18摄氏度时，CPU发出“工作环境温度过低”报警信息。如果温度传感器检测到工作环境温度高于28摄氏度时，CPU向发出“工作环境温度过高”报警信息。

6.长期达不到设定值的报警

如果该机器送出的混合气体的温度，流量和氧含量在20分钟后依然达不到设定目标值便就会影响病人的治疗效果，此时机器就会报警提醒医护人员作出相应的措施。每当机器送出气体的温度，流量或含氧量被重新设定时，CPU就会开始计时，当计时到20分钟时CPU就会查询各个实时值与设定值的差，若哪个差值过大CPU就会发出相应的“未达到设定值”的报警信息。

4.结束语

设计的智能呼吸湿化仪既能改善患者的呼吸情况，又能提供安全稳定的报警机制。在实际应用中大大保证了患者的安全。

参考文献：

[1]蓝惠兰，邓旭萍，陈瀚熙，陈丽芳，张秀浓.机械通气呼吸湿化器湿化研究进展[J].护理学杂志，2013，（13）：94-97.

[2]Renault Anne，Tonnelier Jean-Marie，Goetghebeur David，Oger Emmanuel，Boles Jean-Michel，L'Her Erwan. Influence of the humidification device during acute respiratory distress syndrome.[J].Intensive Care Medicine，2003，29（12）：.

[3]楼理纲，包涛，杨刚. MR850呼吸湿化器的工作原理及常见故障[J].医疗装备，2016，（13）：47-48.

[4]郑锋，王巧芝，李英建，等.单片机应用系统典型模块开发大全[M].北京：中国铁道出版社，2013：46-50.

作者简介：

【1】赵希超 性别：男 出生年月：19930302 籍贯：河北省唐山市，硕士 院系：机械工程学院 专业：机械工程 研究方向：机电一体化及机器人

【2】杨光 性别：男 出生年月：197408 籍贯：河北省辛集，博士 院系：机械工程学院 专业：机械工程 研究方向：机电一体化及机器人，増材制造技术