自动化呼吸检测仪

1、长春工业大学学士学位毕业论文摘要基于对睡眠障碍的研究，如果在睡眠中呼吸发生10秒或10秒以上的暂停，就会对生命构成威胁。家用呼吸检测仪能准确、动态、高效的反映人们的身体状况，当人们睡眠呼吸发生异常：呼吸暂停大于等于10秒时，能及时的发出报警并显示当前日期、时间，所提供的数据也将为医生制定治疗方案提供重要依据。家用呼吸检测仪的设计，是以热敏电阻作为传感器，首先对呼吸信号进行提取，在对提取的信号进行处理，包括信号滤波、信号放大等。通过单片机来控制处理后的信号，最后为显示报警模块，以便及时准确的了解被测人的信息。信号提取模块采用热敏电阻作为传感器，对温度信号进行提取。所提取的呼吸信号在进行放大滤波的

2、处理，这里采用CA3140作为运算放大器，电阻和电容构成高通滤波和低通滤波，隔除直流。 峰值检测同样运用到运算运算放大器，这里采用CA3140运算放大器。将所得平均值与模拟值进行比较，选用CA3130运算放大器实现此功能。再选用液晶LCM128645ZK对测量结果进行显示，当结果出现异常时采用蜂鸣报警器报警。此家用呼吸检测仪经过严谨的测试和试用后可以适用于具有睡眠障碍的患者。家用呼吸检测仪的研制和应用具有重要的研究价值和现实意义。关键词 家用呼吸检测仪 热敏电阻 单片机 睡眠障碍Title Home breath test instrumentAbstractBased on the stud

3、y of sleep disorders, sleep breathing occur if 10 seconds or 10 seconds or more of the suspension, would pose a threat to life. Home breath test instrument can be accurate, dynamic, efficient reflection of people's physical condition. Exception occurs when people sleep apnea: apnea> 10 second

4、s, an alarm can be timely and displays the current date, time, The data they provide medical treatment plan will also provide an important basis. Home breath test instrument design is based on thermistor as a sensor.First, the respiratory signals extracted in the extracted signal processing, includi

5、ng signal filtering, signal amplification and so on. Processed through the microcontroller to control signal, and finally for the alarm module in order to timely and accurate information about the tested person. Signal extraction module thermistor as a sensor, the temperature signal is extracted. Th

6、e extracted respiratory signal during amplification and filter processing. Here, as with CA3140 operational amplifiers, resistors and capacitors constitute a high pass filter and low pass filter, filters to remove DC. Respiratory signal is very weak, where once again the need to extract the respirat

7、ory signals compared to enlarge, use CA3130 operational amplifier to achieve this functionality. Re-use LCD LCM128645ZK measured results show that when the result of abnormal alarm when the alarm by Fengming. This home breath tester after rigorous testing and trial can be applied after the patients

8、with sleep disorders. Home breathing monitors the development and application of important research value and practical significance.Keywords sleep disorder breathing detector home alarm module thermistor SCM目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 家用呼吸检测仪目的及意义11.2 家用呼吸检测仪国内外现状11.3 主要研究内容2第2章 系统整体方案论证32.1 系统整体结构框图

9、及概述32.2 各模块方案的确定3第3章 系统的硬件设计83.1 信号提取电路的设计83.1.1 温度传感器的选择83.1.2 信号提取电路的设计93.2 放大电路的设计103.2.1 运算放大器的选择103.2.2 放大电路的设计113.3 滤波电路的设计133.4 峰、谷值检测提取平均值电路的设计163.4.1 峰值检测电路的设计163.4.2 谷值检测电路的设计193.4.3 平均值提取电路设计203.5 比较放大电路的设计213.6 主控单元的设计223.6.1 ATmega16单片机简介223.6.2 复位电路的设计253.6.3 ATmega16最小系统263.7 显示电路的设计2

10、73.7.1 液晶显示芯片LCM128645ZK的简介273.7.2 LCM128645ZK的显示电路293.8 按键电路的设计303.9 报警模块的设计313.10 数据存储电路的设计313.11 通信电路的设计323.12 稳压电源的设计363.12.1 稳压电源简介363.12.2 稳压电源电路的设计373.13 单片机系统抗干扰方法38第4章 系统软件的设计414.1 软件主程序流程图414.2 显示程序流程图424.3 报警程序流程图434.4 存储数据流程图44结论45致谢46参考文献47附录 整体硬件电路图4947第1章 绪论1.1 家用呼吸检测仪目的及意义在今天这个高速发展的社

11、会，睡眠质量问题已经严重影响人们的生活。只有高质量的睡眠才能保证高质量的生活。良好的睡眠可以消除疲劳、恢复体力、保护大脑、恢复精力、增强免疫力、利于机体自我恢复、促进生长发育、保证机体功能、促进长寿等。同样，如果睡眠质量出现问题也会一起很多问题，如心血管系统疾病、神经系统疾病、内分泌代谢紊乱、肾脏功能损害等1。呼吸是人体重要的生理过程，对人体呼吸的监护监测也是现代医学监护技术的一个重要组成部分。人们无论是呼吸系统本身的病变，或者是其他重要脏器的病变，发展到一定程度都会影响到呼吸中枢。多脏器系统功能衰竭，往往累及呼吸功能的衰竭，呼吸功能的衰竭又导致其他脏器功能的衰竭，互为因果19。人们在夜间睡眠

12、的过程中，偶尔会发生呼吸停止10秒以上的生命状态，将会危及人类正常的生命活动，如严重者将会导致死亡。因此，非常有必要研制一种用于检测呼吸暂停仪器，及早发现异常睡眠并进行相应的治疗。随着科技的发展，人们对睡眠生理，病理的了解日益增多。一门新兴的边缘学科睡眠医学，作为现代医学的一个重要组成部分正在建立和发展起来，广泛地受到重视。在美国有数百家大型研究机构正在从事睡眠呼吸方面的研究，他们在睡眠疾病，尤其是上呼吸道阻塞引起的“阻塞性睡眠呼吸暂停综合症”的病因、危害、诊断及治疗方法等方面进行了大量的研究工作。研究发现：打鼾通常并不是睡眠呼吸暂停的标志，但是10个成年人中有一个打鼾，而10个打鼾者中就有患

13、有睡眠呼吸暂停综合症的。也就是说“打鼾”这种现象很有可能潜伏着睡眠呼吸暂停综合症，正常人有轻度鼾声不属呼吸暂停，呼吸暂停的定义是指呼吸道停止气流达10s以上。如夜间打鼾且伴有间歇性呼吸暂停30次以上，每次暂停时间超过10s以上既可被诊为“呼吸暂停综合症”。这是一种潜在的致死性疾病。其特点是睡眠时上呼吸道阻塞导致进行性缺氧，酸中毒，呼吸困难。造成白天嗜睡，头晕，头痛，记忆力减退，乏力，反应迟缓，睡眠行为异常等症状。长期患“呼吸暂停综合症”可引起高血压，心律失常及猝死2。1.2 家用呼吸检测仪国内外现状最近几年各国研究者更加注重以可靠、准确的检测手段检测呼吸暂停的发生，区分呼吸暂停的类型，以便于临

14、床选择合理的治疗方案。由于呼吸暂停大都发生在睡眠过程中，且需要检测的时间长，所以对检测的方法要求方便，病人易接受，呼吸暂停的判断准确率高国外医学界对此类疾病的研究十分重视，且已取得重大成果。目前国内对此类患者的诊断大多采用多导仪或其他呼吸诊断仪器。1965年Gastant等人明确了呼吸暂停的概念，呼吸暂停是指口、鼻气流消失、动脉血氧饱和度下降，呼吸停止10秒以上的生命状态。睡眠呼吸暂停综合症（Sleep apnea Syndrome,SAS）是指成年人于7小时的夜间睡眠时间内，至少有30次呼吸暂停，每次暂停时间至少10秒以上，或呼吸暂停指数（apnea index,A1）（即每小时呼吸暂停的平

15、均次数）大于5。呼吸暂停综合症是危及人类正常生命活动的疾病之一。更严重的是，如果呼吸发生10S或10S以上的暂停，就会对生命构成威胁。所以非常有必要研制一种用于检测呼吸暂停仪器，及早发现异常睡眠并进行相应的治疗20。国外厂家生产的较先进的病人检测仪，均能在检测病人心脏功能的同时检测病人的呼吸情况，这对临床有重要的意义。这类仪器有丹麦DANICA公司生产的DIALDGUE2000系列中心，床边检测仪。德国西门子公司生产的SIRECUST730系列检测仪等。检测病人的呼吸参数不需要外接任何换能器，只要给病人安装好心电电极，接好导联线，在检测心电信号的同时，即可由键盘选择检测呼吸参数，屏幕上显示心电

16、信号的同时显示呼吸波形。使用ECG电极检测呼吸信号，对ECG波形的正常显示和纪录没有任何干扰2。1.3 主要研究内容本设计主要研究内容是检测人体呼吸状态。当人体呼吸发生异样时，进行报警。首先对呼吸信号进行提取，在进行放大、滤波等处理，进过中央处理器的处理后，进行显示、报警。其中包括：传感器电路的设计；放大电路的设计；滤波电路的设计；峰、谷值检测、提取平均值电路的设计；比较放大电路的设计；中央控制系统的选择和设计；显示电路的设计；按键电路的设计；报警电路的设计；通信电路的设计；稳压电源电路的设计。第2章 系统整体方案论证2.1 系统整体结构框图及概述根据所选择的系统方案，设计如下系统结构框图。主

17、要包括：热敏传感器提取呼吸信号、放大滤波、峰谷值检测提取平均值、比较放大电路、存储模块、通信模块、单片机、显示模块、报警模块、按键。图2-1 系统整体结构框图通过口腔，采用温度检测的方法，既用热敏电阻作为传感器来进行信号提取。所提取的信号比较微弱，并且受环境的影响比较大，所以要通过放大滤波电路对所提取的信号进行初步处理，在提取平均值。此时的呼吸信号仍然十分微弱，所以要进行再次放大。再通过单片机由软件来控制显示模块和报警模块，显示当前日期、时间及结果，当呼吸暂停大于10秒时，则报警模块发出报警。2.2 各模块方案的确定一、信号提取方案的确定在呼吸检测中对呼吸信号的提取方法主要有：压力传感器法、阻

18、抗法和温度传感器法。压力传感器法是根据呼气和吸气的周期性变换使呼吸管道及胸腹部产生周期性形变的现象，设法感受这种形变以测定呼吸频率的方法。压力传感器一般成年人需安置在呼吸道上，小儿需将传感器用带子捆于腹部，给受试者带来不适感，并且束缚压力对呼吸的影响会带入测量结果，造成误差。阻抗法是根据呼吸随胸壁肌肉张弛，胸廓交替变形，机体组织的电阻抗也将产生交替的变化原理，在测量电极两端加一个交变的高频电信号，并检测其变化，提取呼吸信号。阻抗法须将该高频电流通过测量电极直接加到受试者的胸壁，安全控制和激励源的选择限制了其应用。温度传感器法是根据气体通过鼻腔与外界气体进行交换时会引起鼻腔内温度的变化，某些材料

19、或元件的物理特性与温度有关这一性质，将温度的变化转换成电量的变化，从而测得呼吸的变化。温度传感器法实施起来简单易行，并且成本较低，在测量时不会给受试者带来太强的不适感，不影响正常的睡眠。综合各因素考虑，本设计采用温度传感器法来提取呼吸信号。二、显示方案的确定单片机应用系统中，常用的显示器件有LED(发光二极管显示器)和LCD（液晶显示器）两种。这两种器件都具有成本低、配置灵活的特点，并且与单片机接口简单方便。本设计中可以采用数码管显示或液晶显示来实现显示的功能。数码管的特点十分明显，它能在低电压、小电流条件下驱动发光 ；能与CMOS、ITL电路兼容；发光响应时间极短（<0.1s）；高频特

20、性好；单色性好；亮度高；体积小；重量轻；抗冲击性能好；寿命长。但数码管适合显示较少的数据，不适合显示复杂的数字或字符。由于本设计中要求显示当前日期、时间等，更适合用液晶显示，同时，液晶显示也数码管显示相比，具有工作电压低、功耗低、显示信息量大、寿命长等优点。并且在移动通信、仪器仪表、电子设备和家用电器等方面有着日益广泛的应用，所以本设计采用液晶显示。三、按键方案的确定在单片机应用中，人机交互对话最通用的方法就是通过键盘进行。操作者通过键盘向系统发送各种指令或置入必要的数据信息。因此键盘模块设计的好坏 ,直接关系到系统的可靠性和稳定性。常用的按键接口一般分为“独立式按键接口设计”、“专用芯片式设

21、计”和“矩阵式接口设计”几种。下面对这几种按键接口方式进行简介。（1）独立式按键接口设计独立式按键接口设计优点是电路配置灵活，软件实现简单，但缺点也很明显，每个按键需要占用一根口线，若按键数量较多，资源浪费将比较严重，电路结构也变得复杂。因此本方法主要用于按键较少或对操作速度要求较高的场合。软件实现时，可以采用中断方式，也可以采用查询方式。（2）专用芯片式设计专用键盘处理芯片一般功能比较完善，芯片本身能完成对按键的编码、扫描、消抖和重键等问题的处理，甚至象 8279还集成了显示接口功能。专用键盘处理芯片的优点很明显，可靠性高，接口简单，使用方便，适合处理按键较多的情况。但在很多应用场合，考虑成

22、本因素，可能并不是最佳选择。（3）矩阵式接口设计矩阵式按键设计适应于按键数量较多，又不想使用专用键盘芯片的场合。这种方式的按键接口由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。这种方式的优点就是相对于独立接口方式可以节省很多 I/O资源，相对于专用芯片式可以节省成本，且更为灵活。缺点就是需要用软件处理消抖、重键等问题。矩阵式按键接口根据采用的按键识别方法不同基本有两种接法:线反转法和扫描法。其中扫描法的列线始终为输入 ，行线始终为输出；线反转法则需要改变列线和行线的方向。由于本设计中的按键模块主要实现的是控制功能，需要的按键比较少，采用独立式按键的接口方式就可以实现要求的功能，并考虑到成本问题，

23、独立式接口方式是最优选择。四、单片机方案的确定 单片机的种类有很多种，如：凌阳系列单片机、MCS51系列单片机、AVR系列单片机等。这里设计两种方案：方案一：选用MCS51系列单片机。MCS51系列单片机是80年代推出的8位单片微型计算机，共有P0P3四个这样的并行口，可提供32根I/O线，每根线都是双向的，其余用于芯片控制的寄存器中。与芯片引脚有关的特殊功能寄存器是P0P3，它们实际上是4个八位锁存器（每个I/O口一个），每个锁存器附加有相应的输出驱动器和输入缓冲器就构成了一个并行口。MCS-51系列单片机的典型产品为8051，8751，8031.它们的基本组成和基本性能都是一样的.常用的M

24、CS-51这个术语，泛指以8051为内核的单片机。8051型单片机出厂时，程序已由生产厂家固化在程序存储器中.因此，本设计采用8051控制整个系统，不仅控制程序较为简单，而且能达到较好的控制效果。MCS51系列单片机是80年代推出的8位单片微型计算机，共有P0P3四个这样的并行口，可提供32根I/O线，每根线都是双向的，其余用于芯片控制的寄存器中。与芯片引脚有关的特殊功能寄存器是P0P3，它们实际上是4个八位锁存器（每个I/O口一个），每个锁存器附加有相应的输出驱动器和输入缓冲器就构成了一个并行口。8051是MCS-51的典型产品，其基本特性如下：* 8位CPU、片内振荡器* 4k字节ROM、

25、128字节RAM* 21个特殊功能寄存器* 32根并行I/O线* 可寻址的64k字节外部数据、程序存贮空间* 2个16位定时器、计数器* 中断结构：具有二个优先级、五个中断源* 一个全双口串行口* 位寻址（即可寻找某位的内容）功能，适于按位进行逻辑运算的位处理器。方案二：选用AVR系列的单片机。 ATMEL公司新推出的90系列单片机内含高速闪存FLASH，是基于增强精简指令RISC(Reduced Instruction Set CPU)结构的单片机，简称AVR单片机。该系列单片机在吸收PIC及8051单片机的优点的基础上，做出了重大的改进。AVR单片机的特点：（1）速度快AVR单片机在单一时

26、钟周期内执行功能强大的指令，每MHz可实现阶段MIPS的处理能力，是具有最高MIPS/mW能力的确良8位单片机。AVR单片机采用了大型快速存取寄存器文件和快速单周期指令。其快速存取RISC寄存器文件由32个通用工作寄存器组成。AVR用32个通用寄存器代替累加器，避免了传统的累加器与存储器之间的数据传送，可在一个时钟周期内执行一条指令来访问两个独立的寄存器，代码效率比常规CISC微控制器快十倍。AVR单片机是用一个时钟周期执行一条指令的，即在执行前一条指令时就取出下一条指令，然后以一个周期执行指令(与DSP类似),是8位单片机中第一种真的RISC单片机。（2）性能价格比高AVR单片机中既有引脚少

27、的器件(8脚)，也有存储容量较大。引脚较多的器件，给用户以充分的选择余地。AVR单片机采用Harvard结构，程序存储器和数据存储器是分开的，可以直接访问8M字节程序存储器和8M的数据存储器。AVR单片机片内资源丰富。包括：1K-128K字节可下载的Flash存储器。64-4K字节EEPROM，128-4K字节RAM，5-32条通用的I/O线，32个通用工作寄存器。摸拟比较器。定时器/计数。可编程异步串行口。内部及外部中断。带内部晶振的可编程看门狗定时器。为下载程序而设计的SPI串行口。10位AD转换器。以及闲置摸式和掉电摸式2个可选择的省电摸式等。AVR单片机具有高度保密性。程序存储器FLA

28、SH具有多重密码保护锁死(LOCK)功能，绝不可能解密。（3）系统内从新编程(ISP In-System Programming)功能AVR单片机片内可下载FLASH存储器，可以通过SPI串行接口或一般的编程器进行系统内重新编程(ISP In-System Programming),给新产品的开发。老产品的级和维护带来极大的方便。（4）工作电压范围宽(2.7-6V)，抗干扰能力强AVR单片机在一个芯片内将增强性能的RISC 8位CPU与可下载的FLASH相结合使其成为适合于许多要求。具有高度灵活性和低成本的嵌入式高效微控制器。（5）I/O口功能强,具有A/D转换等电路 1.AVR单片机的I/O

29、口是真正的I/O口，能正确反映I/O口输入/输出的真实情况。工业级产品，具有大电流(灌电流)1040 mA,可直接驱动可控硅SCR或继电器，节省了外围驱动器件。 2.AVR单片机内带模拟比较器，I/O口可用作A/D转换，可组成廉价的A/D转换器。ATmega48/8/16等器件具有8路10位A/D。 3.部分AVR单片机可组成零外设元件单片机系统，使该类单片机无外加元器件即可工作，简单方便，成本又低。 4AVR单片机可重设启动复位,以提高单片机工作的可靠性。有看门狗定时器实行安全保护,可防止程序走乱飞,提高了产品的抗干扰能力。 （6）有功能强大的定时器/计数器及通讯接口 定时/计数器T/C有8

30、位和16位,可用作比较器。计数器外部中断和PWM(也可用作D/A)用于控制输出，某些型号的AVR单片机有34个PWM，是作电机无级调速的理想器件。AVR单片机有串行异步通讯UART接口，不占用定时器和SPI同步传输功能，因其具有高速特性，故可以工作在一般标准整数频率下，而波特率可达576K。AVR系列单片机具有很明显的优点，其内部带有A/D转换、定时器、计数器等。这样省去了很多硬件电路，使硬件电路更加简单。AVR系列单片机有很多种，常用的有ATmega16、ATmega8、ATmega128等。这里选用AVR系列单片机中的ATmega16。第3章 系统的硬件设计3.1 信号提取电路的设计3.1

31、.1 温度传感器的选择温度是表征物体冷热程度的物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。目前国际上用的较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。常用的温度传感器由集成温度传感器、P-N结温度传感器、热电阻、热电偶温度传感器、热敏电阻温度传感器。各种传感器的特性如下。集成温度传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器。集成温度传感器与热敏电阻等其它温度传感器相比具有灵敏度高、线性度好、响应速度快和良好的线性度和一致性等特点。同时，具有功能单一(仅测量温度)、测温误差小

32、、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等特点，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。P-N结温度传感器是近几年来发展起来的一种新型测温手段，总所周知，P-N结的反向电流随温度呈指数规律变化，而当正向电流不变时，其正向压降随温度近似线性变化。现代的P-N结温度传感器都是利用正向压降进行测温。P-N结温度传感器有较好的线性度，热时间常数约0.2s2s,灵敏度高，其测温范围为-50 +50。这种温度传感器的缺点是，同一型号的二极管或三极管的特性不一致。热电阻的基本材料有铂、铜和镍，其阻值随温度的升高而增大。其中铂电阻有很好的稳定性和测量精度，测温范围宽，为-200600

33、，但价格高。铜电阻测温范围窄，为-50+150。热电偶测温范围宽，一般为-50+1600，最高的可达2800，并且有较好的测量精度。另外，热电偶已标准化，系列化，易于选用，可以方便的用计算机做非线性补偿。热敏电阻传感器用作温度敏感元件的热敏电阻具有负温度系数。热敏电阻传感器利用阻值随温度变化的特性来测量温度。热敏式传感器灵敏度高，响应特性较好，但线性差，适用温度较低的情况。一般把由金属氧化物陶瓷半导体材料经成型、烧结等工艺制成的测温元件叫做热敏电阻。热敏电阻的非线性严重，稳定性差，不可用于精确测量，主要用于电路温度补偿和保护。通过测量热敏电阻阻值的变化，便可以得知被测介质的温度变化。热敏电阻具

34、有体积小、灵敏度高、反应速度快、分辨率高等优点，在各个领域广泛用作测温控温及温度补偿的敏感元件。热敏电阻温度传感器的缺点是线性度低、稳定性差4。根据本设计的要求，并考虑各温度传感器的优缺点，最终选用热敏电阻作为温度传感器。经比较及考虑，本文采用NTC(NegativeTemperatureCoeffieient)型MF52热敏电阻作呼吸气流检测的传感元件。所谓NTC热敏电阻器就是负温度系数敏电阻器。它是以锰、钻、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制而成的。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，在导电方式上完全类似锗、等半导体材料。温度低时，这些氧化物材料的载流子(电子和孔穴)数目少，以其

35、电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。NTC敏电阻器在室温下的变化范围在101，000，000欧姆，温度系数2%6.5%。NTC热敏电阻器广泛应用于温度测量、温度补偿等场合。（1）MF52热敏电阻特点:外形结构及尺寸小，呈滴珠状，滴珠直径为2mm，引线长25mm。测试精度高；体积小；质量轻；反应速度快；灵敏度高；能长时间稳定工作；互换性；一致性好；性价比高；经济实用。（2）MF52热敏电阻参数:工作温度:-40C+120C。额定功率:<=50mW(在最高工作温度下)。（3）热敏电阻热电温度特性分析：温度特性：热敏电阻的温度特性为阻值变化与温度变化为指数关系，随温度升

36、高，热敏电阻阻值迅速下降，灵敏度高是热敏电阻测温的主要优点。热电特性：NTC热敏电阻的温度系数是负值，且与温度变化有关。温度越低，温度系数越大，灵敏度越高，所以NTC热敏电阻常用于低温测量5。3.1.2 信号提取电路的设计传感器是热敏电阻，通过热敏电阻检测人体呼吸时呼出与吸入气流温度的变化情况从而得呼吸信号，为了提高呼吸气流温度变化测量的灵敏度，应将热敏电阻置于呼道中气流速度最大的地方。呼吸检测采用电桥电路将热敏电阻的阻值变化转换成电压信号变化，经放大处理后经滤波送至数据采集系统处理和显示。采用热敏电阻作为测温元件时，温度的变化转化为电阻的变化，对温度的测量转化为对电阻的测量。介于使用电桥测量

37、有灵敏度高，线性好，测量范围宽且容易实现温度补偿等诸多优点，在呼吸信号的感应第一级电路中采用电桥测量考虑到环境温度的影响，以及在实际操作中为了减少误差，准确测量呼吸气流温度的变化，所以将电桥电路作了如图3-1的改进。图3-1 改进后热敏电阻测温电桥图3-1中采用电桥测温平衡原理，热敏电阻作为测量电阻，选用1K的铂电阻。其中一根串联接在电桥的电源上，对电桥的平衡与否毫无影响，另外两根分别串接在电桥的相邻两臂里，根据电桥的原理对于平衡也没有影响。输出电压U0可从下式求的：3.2 放大电路的设计3.2.1 运算放大器的选择运算放大器的种类有很多种，如： 1通用型运算放大器 通用型运算放大器就是以通用

38、为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。例LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。 2高阻型运算放大器 这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小，一般rid1G1T，IB为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点，用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级，不仅输入阻抗高,输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF355、LF347（四运放）及更高

39、输入阻抗的CA3130、CA3140等。 3低温漂型运算放大器 在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中，总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP07、OP27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。 4高速型运算放大器 在快速A/D和D/A转换器视频放大器中，要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高，单位增益带宽BWG一定要足够大，像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。常见的运放有LM318、A715等。5低功

40、耗型运算放大器 由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便，所以随着便携式仪器应用范围的扩大，必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C等，其工作电压为±2V±18V,消耗电流为50250A。目前有的产品功耗已达W级，例如ICL7600的供电电源为1.5V，功耗为10mW，可采用单节电池供电。 6高压大功率型运算放大器 运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中，输出电压的最大值一般仅几十伏，输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流，集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成

41、运算放大器外部不需附加任何电路，即可输出高电压和大电流。例如D41集成运放的电源电压可达±150V。 7可编程控制运算放大器 在仪器仪表得使用过程中都会涉及到量程得问题。为了得到固定电压得输出，就必须改变运算放大器得放大倍数。例如:有一运算放大器得放大倍数为10倍,输入信号为1mv时，输出电压为10mv，当输入电压为0.1mv时,输出就只有1mv，为了得到10mv就必须改变放大倍数为100。程控运放就是为了解决这一问题而产生得。例如PGA103A,通过控制1、2脚的电平来改变放大的倍数。3.2.2 放大电路的设计由于热敏电阻通过电桥后输出的电压信号是几百毫伏级，而A/D转换必须是伏级

42、信号，所以必须进行放大处理。由于电桥的输出是两点电压之差，所以必须使用差分放大器作为连接电桥第一级放大。且差分放大器的差分相减可以对干扰信号进行抑制而使测量得到较真实的测量值。AD620是AnafogDevice公司生产的低成本，低功耗集成仪表放大器，它是个典型的三运放同相并联差动放大器的集成。由于其体积小，功耗低，噪声小供电电源范围广等特点，使其特别适宜应用到诸如传感器接口、心电图监测仪应用场合。AD620是高性能单片集成的仪器放大器，它在同相并联差动放大的基础上，采用激光晶片校准技术，使用户仅用一个外接电阻就能对增益进行准确的确定，无需调节，易于使用。使用时只需在1脚和8脚接入电阻以设置所

43、需要的增益G。集成的仪器放大器的电压增益为：当电阻取不同值时，可以得到11000的电压增益。 AD620的突出优点是低频噪声小，从0.110Hz的噪声电压p-p（峰-峰）值为0.28µV，失调电压、温漂都很小，共模抑制比为110Db,宽带120kHz（G=100）。使用时应注意，引线端REF通常接地，确保其良好接地是保持高共模抑制比所必需的。电阻的稳定性、温漂将影响放大器增益的稳定，在外接电阻很小时（即高增益设置时）应选用精密线绕组电阻。电源端通常外接0.1µF电容，是为了去除电源的耦合干扰，应用时电容要注意就近接地。AD620的高输入阻抗、高共模抑制比以及其他优越的性能，

44、使其可以用于ECG测量电路中。AD620作为前置放大器，其增益为10左右，加上后级放大，总增益可以达到1000。AD620性能特点所下:输入失调电压<=50V；输入失调电压漂移<=0.6V /；输入失调电流<=1.0nA；共模抑制比CMRR>=100dB；建立时间为15s；增益调节范围是11000。其引脚图如图3-2所示。图3-2 AD620引脚图由AD620设计的运算放大电路如图3-3所示。图3-3 运算放大电路如图3-3所示，管脚1和管脚8脚之间连接电阻，差分信号由管脚2、3输入，管脚6是输端，管脚5是参考端。放大倍数可由电阻来确定，其与增益G之间的关系如下：=+1

45、3.3 滤波电路的设计一、高通滤波电路的设计由于呼吸频率很低(一般为0.1Hz1Hz)，加之鼻腔基温、环境温度等因素的影响，基线漂移很严重，甚至会造成信号阻塞。因此，呼吸信号检测电路中需要设置抑制基线漂移的高通滤波器。早期的滤波器主要采用R、C和L等无源元件组成，成为无源滤波器。为了使负载不影响滤波特性，可在无源滤波电路和负载之间加一个高输入电阻、低输出电阻的隔离电路，最简单的办法是加一个电压跟随器，这样就构成了有源滤波电路。通常，直流电源中整流后的滤波电路均采用无源电路，且在大电流负载时，应采用LC（电感、电容）电路。有源滤波电路一般由RC网络和集成运放组成，因而必须在合适的直流电源供电的情

46、况下才能起滤波作用，于此同时还可以放大，组成电路时应选用带宽合适的集成运放。由集成运放和RC电路组成的有源滤波器具有体积小、效率高、阻抗特性好的优点并具有一定的电压放大作用和缓冲作用，同时适用于信号处理，所以的到广泛应用。由于所提取的信号不是直流并且呼吸信号也比较微弱，所以不适合采用无源滤波器。而有源滤波器所具有的特性则符合此设计的需求，体积小、效率高、阻抗特性好等，并能对所提取的信号整流后进行放大处理，信号处理等。所以采用有源滤波器对信号进行滤波。基础的有源滤波电路如图3-4所示。图3-4 基础有源滤波电路此部分的重点设计是运算放大器的设计。运算放大器（常简称为“运放”）是具有很高放大倍数的

47、电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”，此名称一直延续至今。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。本设计的运算放大器选用LF356。选择无限增益多路反馈型(MBF)二阶滤波电路。电路如图3-5所示。图3-5 高通滤波电路无源器件的参数是由电路形式，滤波器的类型决定的。传递函数为滤波器的参数为:其中为增益，因为电路放大倍数已经确定，在此滤波器中不必再

48、增加，所以取为1。而可由巴特沃斯滤波器传递函数求得，为1.414，为截止频率，设为0.1。则根据方程式可得：R1=0.7MR2=4.1MC1=1FC2=1FC3=1F二、低通滤波电路的设计呼吸频率在0.11Hz之间，相对来说频率很低，若有高频信号的干扰会造很大影响，电源的不稳定，或是其他的工频干扰等，这些信号通常都在几十赫，相对呼吸信号的1Hz来说大很多。所以，截止频率设计为1Hz，使用最简单的一阶RC无源滤波路可以满足要求。如图3-6所示。图3-6 一阶RC无源滤波路根据设计一阶滤波器，R=0.16MK,C=1F。3.4 峰、谷值检测提取平均值电路的设计3.4.1 峰值检测电路的设计峰值检测

49、电路是（PKD,Peak Detector）的作用是对输入信号的峰值进行提取，产生输出Vo=Vpeak，为了实现这样的目的，电路输出值会一直保持，直达一个新的更大的峰值出现或电路复位。常用的峰值检测电路有很多种，如：分立二极管电容型、无二极管型、集成峰值检测电路等。峰值检测电路在AGC（自动增益 控制）电路和传感器最值求取电路中广泛应用6。峰值检测就是要对信号峰值进行采集并保持，其效果图如图3-7所示。图3-7 峰值检测效果图我们用一个二极管和电容器就能组成一个最简单的峰值检测电路，如图3-8所示。这种最简单的峰值检测电路可以工作，但是性能并不是很理想。而且，由于没有输入输出的缓冲，在实际应用

50、中，电容器中的电荷会被其他部分电路负载消耗，造成峰值检测电路无法保持信号峰值电压。图3-8 基本峰值检测电路对基本峰值检测电路进行改进，与电容并联一个电阻，用于放电，如图3-9所示。这种简单电路的工作过程是, 在交流电压的每一周期中, 可分为电容充电和放电两个过程。在交流电压的作用下, 在正半周的峰值附近一段时间内, 通过二极管对电容 C 充电，而在其它时段电容 C上的电压将对电阻R放电。当然，当外界交流电压刚接上时，需要经历多个周期, 多次充电, 才能使输出电压接近峰值。但是, 困难在于二极管是非线性元器件,当交流电压较小时，检测得的直流电压往往偏离其峰值较多。图3-9 简单峰值检测电路这里

51、的泄放电阻R，是指与 C并联的电阻、下一级的输入电阻、二极管的反向漏电阻、以及电容及电路板的漏电等效电阻。不难想到，放电是不能完全避免的。同时，适当的放电也是必要的。特别是当输入电压变小时，通过放电才能使输出电压再次对应于输入电压的峰值。实际上，检测器的输出电压大小与峰值电压的差别与泄放电流有关。仅当泄放电流可不计时，输出电压才可认为是输入电压的峰值。用于检测仪器中的峰值检测器要求有较高的精度。检测仪器通常 R值很大，且允许当输入交流电压取去后可有较长的时间检波输出才恢复到零。可以用较小的电容，从而使峰值电压建立的时间较短。经再次改进的峰值检测电路包括三个模块：（1）模拟峰值存储器，即电容器；

52、（2）单相电流开关，即二极管；（3）输入输出缓冲隔离，即运算放大器10。第三部分是运算放大器的设计。在放大滤波模块的设计中已经提及到运算放大器的相关知识，同样此部分也选用高阻型运算放大器。为保证该电路不影响前级，且使电容能将峰值电压保存适当长的时间，都需要放大器的输入阻抗要高，于是，我们选择了CA3140，它有高的输入阻抗和低输入偏置电流，且能用单电源供电。其引脚图如图3-10所示。图3-10 CA3140引脚图经再次改进的峰值检测电路如图3-11所示。图3-11 峰值检测电路峰值检测电路的工作过程是，经过滤波放大的呼吸信号接运算放大器CA3140的同相输入端，当呼吸信号电压大于电容C3上的电

53、压时，D1导通，给C3充电。当呼吸信号电压升至峰值并开始下降时，C3充电至峰值电压,D1截止，C3上保持峰值电压，从而检测到峰值。3.4.2 谷值检测电路的设计 由于都是对极值的检测，并且其应用环境相同，所以谷值检测电路与峰值检测电路的设计基本相同，运算放大器也选用CA3140。只是二极管的方向不同，谷值检测电路的二极管方向正好与峰值检测电路的方向相反。所以谷值检测电路如图3-12所示。图3-12 谷值检测电路谷值检测电路的工作原理是当运算放大器的同相输入端电压小于电容C4上的电位时， D2导通，C4通过D2放电。当输入端电压下降时，电容就保持放电。当输入电压Vi降至谷值并开始上升时，C4就取

54、得谷值电压，D2截止，C4保存谷值电压。3.4.3 平均值提取电路设计提取出的峰值电压和谷值电压需经处理得到平均值。如图3-13所示。图3-13 提取平均值电路令流经R1、R2的电流为I，峰值电压为V1，谷值电压为V2，平均值电压为V0，且R1=R2，则有：I=2*R1*V1-2*R1*V0=R1*V1-R1*V2R1*V1+R1*V2=2*R1*V0V0= 所以图3-13即为提取平均值的电路。分别从峰值检测电路和谷值检测电路输出的电压信号经电阻R1、R2，再从它们之间提取平均值电压。由于峰值电压会经R1、R2向谷值电压存储电容充电，为防止这一现象R1、R2选的应尽量较大，所以该电路中取R6=

55、R7=10M。3.5 比较放大电路的设计呼吸电信号十分微弱，在检测呼吸电信号的同时存在强大的干扰，如工频50Hz 和极化电压等干扰。前者主要是以共模形式存在，幅值可达几伏甚至几十伏，所以呼吸电放大器必须具有很高的共模抑制比。后者是由于测量电极与呼吸信号之间构成化学半电池而产生的直流电压，最大可达300mV，因此，呼吸电放大器的前级增益不能过大，或者需要采用超低频的交流放大器。由于信号源内阻可达几十K、乃至几百K。所以，生物电放大器的输入阻抗必须在几M以上。综上所述，设计高质量的呼吸电放大器有许多技术困难。因此，设计高质量的呼吸电放大器一直受到国内外专家和学者重视14。近年来，微电子技术得到迅猛

56、的发展，出现了许多高性能的集成化仪器放大器，如TI 公司、ADI 公司和Linear公司等生产了很多不同档次的集成化仪器放大器，为设计呼吸电放大器提供了充分的选择。本模块的设计仍然采用CA3130放大器，此放大器电路结构简单，成本低廉，不需调试，性能比较优异。将提取的平均值加到运放的反相端，原呼吸模拟信号加到同相端，电路图如图3-14所示。图3-14 比较放大电路呼吸模拟信号是一个固定值，其值可调，通过调节可变电阻来改变呼吸模拟信号的值。如图3-15所示。图3-15 固定模拟信号输出3.6 主控单元的设计3.6.1 ATmega16单片机简介一、单片机简介单片机是微型计算机发展的一个分支，是一种专门面向控制的微处理器件，故又称之为微控制器(Micro Controller Unit，MCU)。单片机通常以单一芯片的形式出现，但是它已具有了微型计算机所包含的基本组成结构和